數(shù)字信號(hào)處理(DSP)是指利用計(jì)算機(jī)、微處理器或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，對(duì)數(shù)字形式的信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、濾波、評(píng)估、增強(qiáng)、壓縮和識(shí)別的理論和方法。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展可以概括為兩個(gè)階段:第一階段以1965年Colley和Tukey提出的快速傅里葉變換算法為標(biāo)志，當(dāng)時(shí)DSP技術(shù)主要應(yīng)用于圖像處理、快速數(shù)據(jù)傳輸、生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)等。第二階段是現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理階段，以數(shù)字信號(hào)處理的快速發(fā)展和新的理論、算法的出現(xiàn)為特征。20世紀(jì)80年代初，第一塊單片可編程DSP芯片誕生，使理論研究成果廣泛應(yīng)用于低成本實(shí)用系統(tǒng)，促進(jìn)了新理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

數(shù)字信號(hào)處理是基于許多學(xué)科的，它涉及的范圍很廣。比如微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號(hào)處理的基本工具，也與網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)、控制理論、通信理論、故障診斷等密切相關(guān)。如人工智能、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等熱門研究，都離不開數(shù)字信號(hào)處理。數(shù)字信號(hào)處理基于許多經(jīng)典的理論體系，同時(shí)也成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

高斯在1805年給出的快速傅立葉變換的基本原理為快速離散時(shí)間信號(hào)計(jì)算提供了基本思想。1958年，Ragazzini等人發(fā)表了第一本關(guān)于數(shù)字信號(hào)處理的現(xiàn)代著作《采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)》，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，他們只能在地震信號(hào)的一些低頻控制或數(shù)字處理上做一些實(shí)際的嘗試。20世紀(jì)60年代中期，數(shù)字信號(hào)處理的一套理論應(yīng)運(yùn)而生，但大部分信號(hào)處理仍屬于連續(xù)時(shí)間信號(hào)處理。

1965年，Cooley和Turkey發(fā)表了FFT算法，使數(shù)字信號(hào)處理從理論概念到應(yīng)用實(shí)現(xiàn)發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)折。FFT的出現(xiàn)使數(shù)字信號(hào)處理的計(jì)算量減少了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

隨著數(shù)字信號(hào)處理的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的算法，如利用數(shù)論變換的卷積運(yùn)算、WFTA算法、沃爾什變換及其快速算法(小波變換)。自20世紀(jì)70年代以來，許多科學(xué)家研究了數(shù)字信號(hào)處理中的有限字長效應(yīng)，解釋了數(shù)字信號(hào)處理中的許多現(xiàn)象，使數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論進(jìn)入了成熟階段。1975年A.V .奧本海默和TW。斯查費(fèi)發(fā)表了數(shù)字信號(hào)處理理論的代表作。

從數(shù)字處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)來看，大規(guī)模集成電路技術(shù)是推動(dòng)數(shù)字信號(hào)處理發(fā)展的重要因素。由于大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理不僅可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，還出現(xiàn)了專用的DSP芯片和相應(yīng)的電路芯片。DSP產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)龐大的家族，數(shù)字信號(hào)處理的速度有了很大的提高。

DSP系統(tǒng)

系統(tǒng)組成：數(shù)字信號(hào)處理由數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)完成。任何處理數(shù)字信號(hào)的物理設(shè)備都可以被視為數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。狹義的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是指輸入數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過處理后輸出的系統(tǒng)，如數(shù)字濾波器。廣義的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)包括狹義的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，也可能包括模擬低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器)、D/A轉(zhuǎn)換器(數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器)等。

上圖是典型的DSP系統(tǒng)模型。并非所有的DSP系統(tǒng)都必須包含模型中的所有元件。例如，語音識(shí)別系統(tǒng)在輸出端不是連續(xù)的波形，而是識(shí)別結(jié)果。有些輸入信號(hào)本身就是數(shù)字信號(hào)，所以不需要模數(shù)轉(zhuǎn)換。

工作流程：DSP系統(tǒng)的輸入信號(hào)可以有多種形式，如麥克風(fēng)輸出的語音信號(hào)、電話線傳來的調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)、編碼后在數(shù)字鏈路上傳輸或存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的圖像信號(hào)等。首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限帶濾波和采樣，然后通過A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)換將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流。DSP芯片的輸入是經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到的采樣數(shù)字信號(hào)，DSP芯片對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種形式的處理，比如一系列的乘法和累加運(yùn)算(MAC)。數(shù)字處理是DSP的關(guān)鍵。最后將處理后的數(shù)字樣本通過D/A(數(shù)模)變換轉(zhuǎn)換成模擬樣本，再通過插值和平滑濾波得到連續(xù)的模擬波形。

數(shù)字信號(hào)處理：DSP芯片，即數(shù)字信號(hào)處理芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，是一種特別適合數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的處理器，主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)、快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。

DSP芯片內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分離的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專用硬件乘法器，采用流水線操作，提供專用DSP指令，可用于快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。DSP芯片一般有以下幾個(gè)主要特點(diǎn):一個(gè)指令周期可以完成一次乘法和一次加法；程序和數(shù)據(jù)空間是分開的，所以你可以同時(shí)訪問數(shù)據(jù)空間和程序空間；片內(nèi)有快速RAM，通常兩個(gè)芯片可以通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線同時(shí)訪問。硬件支持低開銷或零開銷循環(huán)和跳轉(zhuǎn)；具有快速中斷處理和硬件I/O支持；具有在單個(gè)周期中操作的多個(gè)硬件地址生成器；多個(gè)操作可以并行執(zhí)行；支持流水線操作，取指令、解碼、執(zhí)行等操作都可以流水線化。

DSP算法

傅立葉變換是數(shù)字信號(hào)處理中常用的一種重要算法。它是將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域的一種形式，是聲學(xué)、語音、電信和信號(hào)處理等領(lǐng)域的重要分析工具。離散傅立葉變換(DFT)是離散系統(tǒng)中連續(xù)傅立葉變換的一種形式，其功能是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成其各種頻率的正弦波分量。然而，DFT的計(jì)算量非常大，因此長期以來其應(yīng)用受到很大限制。快速傅立葉變換(FFT)是離散傅立葉變換的一種有效運(yùn)算方法。FFT大大簡(jiǎn)化了DFT的運(yùn)算，運(yùn)算時(shí)間一般可以縮短1 ~ 2個(gè)數(shù)量級(jí)。FFT的出現(xiàn)提高了DFT的運(yùn)算速度，從而使DFT得到廣泛應(yīng)用。

DSP芯片的出現(xiàn)使得FFT的實(shí)現(xiàn)更加方便。由于大部分DSP芯片可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘法和加法運(yùn)算，并提供專門的FFT指令，因此FFT算法在DSP芯片上實(shí)現(xiàn)的速度更快。

DSP實(shí)現(xiàn)

大多數(shù)DSP系統(tǒng)需要執(zhí)行密集型操作，這些操作可以在微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器或定制集成電路等數(shù)字硬件上實(shí)現(xiàn)。或者根據(jù)給定應(yīng)用對(duì)性能、成本和功耗的要求選擇合適的硬件。

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)

專用集成電路(ASIC)設(shè)備通常被設(shè)計(jì)用于需要密集計(jì)算的特定任務(wù)。ASIC器件的架構(gòu)專門針對(duì)所需的操作進(jìn)行了優(yōu)化，因此可以非常快速地執(zhí)行所需的功能。但缺乏靈活性，適用于可批量生產(chǎn)的產(chǎn)品或要求高速度、只能用ASIC實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。可共享DSP功能的核心模塊的出現(xiàn)簡(jiǎn)化了ASIC設(shè)計(jì)，但原型ASIC器件仍存在成本高、設(shè)計(jì)周期長、缺乏標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工具支持和重編程靈活性等缺點(diǎn)。

近年來，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)可用作DSP系統(tǒng)的膠合邏輯、總線橋和外圍設(shè)備，以降低系統(tǒng)成本和提高系統(tǒng)集成度。FPGA還可以與數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)合，集成預(yù)處理或后處理功能。FPGA器件在硬件上是可重構(gòu)的，因此通過優(yōu)化硬件結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高性能和更低產(chǎn)品成本的算法。此外，通過使一些器件實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜DSP功能，其余器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯或接口功能，也可以實(shí)現(xiàn)低成本和高系統(tǒng)集成度。

通用處理器和微控制器(P/C)的架構(gòu)通常分為兩類:哈佛架構(gòu)和馮諾依曼架構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)對(duì)程序和數(shù)據(jù)有單獨(dú)的存儲(chǔ)空間，可以同時(shí)訪問兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)；馮諾依曼結(jié)構(gòu)將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中。通用P/C越來越快，可以處理一些DSP的應(yīng)用。許多電子產(chǎn)品，如汽車控制器，使用微控制器來控制發(fā)動(dòng)機(jī)、剎車和懸架。如果P/C產(chǎn)品需要新的DSP功能，盡量用軟件實(shí)現(xiàn)，而不是修改硬件。

數(shù)字信號(hào)處理器本質(zhì)上是一個(gè)微處理器，它包含專門為DSP應(yīng)用設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)和指令集。與ASIC和FPGA解決方案相比，數(shù)字信號(hào)處理器在易于開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)重新編程以升級(jí)產(chǎn)品功能或修復(fù)錯(cuò)誤方面具有許多優(yōu)勢(shì)。它們通常比ASIC和FPGA等定制硬件更具成本效益，尤其是對(duì)于小規(guī)模應(yīng)用。與一般的P/C相比，數(shù)字信號(hào)處理器在許多DSP應(yīng)用中具有更快的速度、更好的能效或功耗以及更低的成本。數(shù)字信號(hào)處理器可應(yīng)用于電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制、汽車系統(tǒng)、家用設(shè)備、消費(fèi)電子、醫(yī)療保健設(shè)備、通信和廣播設(shè)備。這些可編程數(shù)字信號(hào)處理器由集成組件開發(fā)工具支持，包括C編譯器、匯編優(yōu)化器、鏈接器、調(diào)試器模擬器和仿真器。

溝通：數(shù)字信號(hào)處理廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、數(shù)字無線電、非對(duì)稱數(shù)字用戶線路、IP電話、軟件無線電和衛(wèi)星通信。從第二代通信來說，是基于數(shù)字技術(shù)的數(shù)字通信。數(shù)字信號(hào)在通信中用于信源編碼、信道編碼、多路復(fù)用和數(shù)據(jù)壓縮。互聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，可以在傳輸和交換過程中進(jìn)行數(shù)字壓縮、編碼和存儲(chǔ)。

消費(fèi)電子產(chǎn)品：數(shù)字信號(hào)處理廣泛應(yīng)用于數(shù)字語音、車載多媒體、MP3/MP4/MP5、數(shù)字掃描儀、數(shù)字電視機(jī)頂盒、醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)、生物指紋系統(tǒng)等領(lǐng)域。

數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字電視和數(shù)字計(jì)算機(jī)都是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。數(shù)碼相機(jī)將外部的模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，按照一定的數(shù)字壓縮算法進(jìn)行處理，得到占用存儲(chǔ)空間較少的數(shù)字文檔；數(shù)字電視將模擬視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻，然后進(jìn)行數(shù)字壓縮編碼，再通過數(shù)字廣播發(fā)送出去，接收機(jī)獲得數(shù)字電視信號(hào)后進(jìn)行逆變換；計(jì)算機(jī)中的文件、表格、圖片、歌曲、視頻等多媒體都是數(shù)字化處理的結(jié)果，可以存儲(chǔ)、傳輸、編輯、轉(zhuǎn)換等。，并可以通過輸出設(shè)備輸出。此外，數(shù)字信號(hào)處理需要用于數(shù)字語音中的語音分析、合成、識(shí)別、增強(qiáng)和編碼，以及數(shù)字圖像中的圖像增強(qiáng)、恢復(fù)、去噪和壓縮。

工業(yè)：數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心、3D打印、用于排版印刷的數(shù)字雕刻機(jī)、機(jī)器視覺、頻譜分析儀、函數(shù)發(fā)生器、用于地震信號(hào)分析的二維碼掃描、物聯(lián)網(wǎng)通信、RFID等等都與數(shù)字信號(hào)處理密切相關(guān)。

其他的：雷達(dá)使用數(shù)字技術(shù)來探測(cè)、定位和成像目標(biāo)。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也用于聲納處理導(dǎo)航和衛(wèi)星偵察。

信號(hào)處理可以分為數(shù)字信號(hào)處理和模擬信號(hào)處理。與模擬信號(hào)處理相比，數(shù)字信號(hào)處理有許多明顯的優(yōu)勢(shì)。其加工方法有以下特點(diǎn)。可編程:當(dāng)模擬系統(tǒng)的功能和性能發(fā)生變化時(shí)，必須重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，至少需要改變系統(tǒng)中的某些器件或參數(shù)，然后重新組裝和調(diào)試。對(duì)于以DSP處理器為核心的數(shù)字系統(tǒng)，可以只設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)硬件平臺(tái)，然后利用各種軟件完成各種數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)。在改變系統(tǒng)的功能和性能時(shí)，只需要改變相應(yīng)的軟件或軟件中的參數(shù)，而不需要改變硬件平臺(tái)本身。這使得以可編程DSP處理器為核心的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)具有很大的靈活性。

穩(wěn)定性好:模擬電路中電阻、電容、電感、運(yùn)算放大器的特性會(huì)隨著環(huán)境和時(shí)間的變化而變化。與此相比，數(shù)字系統(tǒng)更穩(wěn)定，即受時(shí)間和環(huán)境的影響要小得多。

重復(fù)性好:數(shù)字系統(tǒng)本身具有良好的重復(fù)性。當(dāng)兩臺(tái)字長相同的計(jì)算機(jī)在任意不同的時(shí)間計(jì)算同一個(gè)數(shù)學(xué)模型時(shí)，結(jié)果一定是相同的。但由于生產(chǎn)過程可能會(huì)造成仿真系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)性能之間的誤差，且時(shí)間環(huán)境會(huì)導(dǎo)致仿真系統(tǒng)性能的變化，所以同一信號(hào)發(fā)送到兩個(gè)配置相同的仿真系統(tǒng)時(shí)，輸出結(jié)果是不同的。因此，數(shù)字系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性與模擬系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

抗干擾性能好:信號(hào)在處理和傳輸過程中會(huì)受到噪聲的干擾。數(shù)字信號(hào)的抗干擾性能優(yōu)于模擬信號(hào)。當(dāng)數(shù)字信號(hào)受到噪聲干擾時(shí)，只要能夠正確識(shí)別0和1并重新生成，就可以完全消除噪聲的影響。快速發(fā)展的數(shù)字糾錯(cuò)編碼和解碼技術(shù)能夠在極其復(fù)雜的噪聲環(huán)境中正確識(shí)別和恢復(fù)原始信號(hào)，即使信號(hào)完全被噪聲淹沒。

自適應(yīng)算法的實(shí)現(xiàn):從信號(hào)和系統(tǒng)的角度來看，自適應(yīng)是使系統(tǒng)的特性隨著輸入信號(hào)的變化而變化，從而在一定準(zhǔn)則下得到最優(yōu)輸出。就模擬系統(tǒng)而言，只有改變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和元件的參數(shù)才能改變系統(tǒng)的特性，因此很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自適應(yīng)。對(duì)于特定的自適應(yīng)算法，基于DSP處理器的數(shù)字系統(tǒng)可以按照一定的準(zhǔn)則實(shí)時(shí)改變系統(tǒng)的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自適應(yīng)；對(duì)于不同的自適應(yīng)算法，換合適的軟件就行了。

數(shù)據(jù)壓縮效果好:隨著對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求的提高，信號(hào)傳輸?shù)膸捄痛鎯?chǔ)的成本也在增加。模擬信號(hào)的信息也可以壓縮，但信號(hào)質(zhì)量會(huì)受到很大影響。但是數(shù)字信號(hào)處理中的壓縮算法不斷改進(jìn)，可以在對(duì)原始信號(hào)質(zhì)量影響不大的情況下達(dá)到很高的壓縮比。