數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)論文(2)
數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)論文
數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)論文篇二
淺談數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用
【摘要】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)，是數(shù)字化時(shí)代的重要發(fā)展方向。本文對(duì)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的理論，及其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了討論。
【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號(hào)處理;應(yīng)用;發(fā)展方向
一、數(shù)字信號(hào)處理原理
數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)是一門(mén)可以將將信號(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)處理可以對(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，也就是利用計(jì)算機(jī)或者專(zhuān)業(yè)的處理設(shè)備，將信號(hào)以數(shù)字方式進(jìn)行采集，變換，濾波，估值，增強(qiáng)，壓縮，識(shí)別等處理，進(jìn)而以得到人們需要的信號(hào)形式。
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。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理算法的微處理器，其主要應(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。數(shù)字信號(hào)處理器是在微電子學(xué)以及數(shù)字信號(hào)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(hào)處理操作的專(zhuān)用芯片器件。其可以通過(guò)過(guò)濾、抽樣、轉(zhuǎn)換等方法，將收集的初始信號(hào)按照一定的所需要求(比如放大、縮小或?yàn)V波)，再通過(guò)一些必要的適當(dāng)處理(模數(shù)轉(zhuǎn)換)得到數(shù)字信號(hào)。當(dāng)然，數(shù)字信號(hào)處理器也具有將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的功能，其同樣需要一些必要的適當(dāng)處理(數(shù)模轉(zhuǎn)換)。上述的處理方法進(jìn)一步完善便可以發(fā)展為數(shù)字信號(hào)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(dá)領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、家用電器領(lǐng)域、自動(dòng)控制領(lǐng)域等。普通 DSP 具有已改進(jìn)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(zhuān)門(mén)為數(shù)字處理控制而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(diǎn)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(wàn)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(yùn)算速度需要采用高級(jí)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(jī)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(gè)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(hào)處理的算法
數(shù)字信號(hào)處理的主要算法是離散傅里葉變換(DFT)，DFT先將信號(hào)在數(shù)字域和頻域?qū)崿F(xiàn)離散化，再利用計(jì)算機(jī)或者是專(zhuān)用的處理設(shè)備如數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)處理離散信號(hào)。但是真正使數(shù)字信號(hào)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(yùn)算次數(shù)大為減少，使實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理成為可能，極大促進(jìn)了該學(xué)科的發(fā)展。
傅立葉變換是數(shù)字信號(hào)處理重要的組成部分，時(shí)間和頻率是數(shù)字信號(hào)處理中的兩個(gè)最基本也是最重要的表達(dá)信號(hào)。傅立葉正變換或反變換，可以把時(shí)間域信號(hào)轉(zhuǎn)到頻率域或把頻率域信號(hào)轉(zhuǎn)到時(shí)間域，但是我們所要測(cè)量的信號(hào)大部分是連續(xù)周期信號(hào)，不能直接在計(jì)算機(jī)上計(jì)算出它的傅里葉變換，但是可以通過(guò)DFT及其快速算FFT實(shí)現(xiàn)時(shí)域和頻域都離散化的變換，可以再在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜分析及其他方面的處理，因此DFT在數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字圖像處理中得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)它建立了離散時(shí)域與離散頻域之間的關(guān)系。
三、數(shù)字信號(hào)處理目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域
數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)質(zhì)就是把現(xiàn)實(shí)世界里的信息轉(zhuǎn)換成另一種形式，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備的幫助提取出來(lái)，轉(zhuǎn)換成能為人或計(jì)算機(jī)設(shè)備可以識(shí)別的另一種形式。目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者認(rèn)為DSP在數(shù)字信號(hào)處理方面有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榫哂徐`活性大、體積小、功耗低、精度高、可靠性高、等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在數(shù)字信號(hào)處理方面廣泛應(yīng)用。
1.語(yǔ)音信號(hào)處理
語(yǔ)音信號(hào)是數(shù)字信號(hào)處理的重要組成部分，其中包括：語(yǔ)音的識(shí)別，語(yǔ)言的理解，語(yǔ)音的合成，語(yǔ)音的增強(qiáng)，語(yǔ)音的壓縮等。發(fā)展語(yǔ)音信號(hào)處理的目的是為了制造聲碼器，是智能計(jì)算機(jī)和智能機(jī)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(hào)處理器的傳統(tǒng)應(yīng)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(jī)實(shí)現(xiàn)Internet的撥號(hào)連接，是目前最簡(jiǎn)單便捷的連接方式。
隨著網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代的到來(lái)，使用Internet的用戶(hù)數(shù)量逐步增長(zhǎng)，低性能的DSP器件已經(jīng)滿足不了客戶(hù)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(lái)的發(fā)展方向。
3.圖形圖像處理需求
圖像信號(hào)處理可以用于DVD里應(yīng)用的活動(dòng)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(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)還可以根據(jù)圖像信號(hào)處理的特點(diǎn)，將圖像進(jìn)行壓縮、解壓、分割、識(shí)別、編碼和重建等幾個(gè)方面。
4.汽車(chē)電子系統(tǒng)及其它應(yīng)用領(lǐng)域
隨著汽車(chē)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車(chē)電子系統(tǒng)行業(yè)也逐步發(fā)展，而汽車(chē)電子系統(tǒng)主要是利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSP)里的紅外線和毫米雷達(dá)裝備，或者是利用DSP處理過(guò)的圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行安全分析，保證安全駕駛。目前，DSP已經(jīng)在汽車(chē)電子系統(tǒng)的領(lǐng)域得到認(rèn)可。
5.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理
在生物醫(yī)學(xué)方面信號(hào)處理主要是用來(lái)輔助生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論的研究和用于診斷檢查和監(jiān)護(hù)，其中包括細(xì)胞學(xué)、腦神經(jīng)學(xué)等方面的基礎(chǔ)理論研究。
數(shù)字信號(hào)處理在腦電或心電的自動(dòng)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(xué)提供了一種新的研究方法，降低了死亡率。
目前，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)應(yīng)用到多種學(xué)科，如振動(dòng)信號(hào)處理、地球物理信號(hào)處理等方面，雖然應(yīng)用領(lǐng)域不同，其中的核心技術(shù)大致相同。由此可見(jiàn)，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)成為當(dāng)今世界的核心技術(shù)之一。 6.在移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用
在基于 USB 總線的新型開(kāi)放式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，機(jī)器人以 PC 為上位計(jì)算機(jī)，用一塊 DSP運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)機(jī)器人的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。并采用 USB 總線進(jìn)行上下位機(jī)之間的通訊，很好地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，設(shè)計(jì)制作的一種分布式超聲環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)，可用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的環(huán)境地圖建立、定位、目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)航、避障等功能。DSP運(yùn)動(dòng)控制卡是以 TMS320LF2407 芯片(上述)為核心的，通過(guò)發(fā)送脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的左右兩路步進(jìn)電機(jī)。DSP 控制系統(tǒng)的工作原理如下：首先，對(duì)該移動(dòng)機(jī)器人周?chē)恼系K物采集有關(guān)的信息;隨后通過(guò) USB 總線，向上位計(jì)算機(jī)發(fā)送所采集的障礙物信息，并接收上位計(jì)算機(jī) PC 所規(guī)劃的路徑軌跡的命令或軌跡無(wú)線信號(hào);然后，將所接收到的路徑軌跡命令或軌跡無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào);最后，通過(guò)所轉(zhuǎn)化的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)基于 USB 總線的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。
以2009 年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽為例，有一個(gè)可移動(dòng)帶有聲源的移動(dòng)機(jī)器人 S，三個(gè)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(dòng)聲源和接收器之間的不同距離，產(chǎn)生一個(gè)可移動(dòng)聲源離 Ox 線(或 O'y 線)的誤差信號(hào)，并用無(wú)線方式將此誤差信號(hào)傳輸至可移動(dòng)聲源，引導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)?？梢苿?dòng)聲源運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)必須在 Ox 線右側(cè)，位置可以任意指定。
四、數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展
高性能、低功耗、加強(qiáng)融合和拓展多種應(yīng)用是數(shù)字信號(hào)處理未來(lái)的發(fā)展方向，如何將DSP芯片越來(lái)越多地滲透到各種電子產(chǎn)品當(dāng)中，也成為各種電子產(chǎn)品尤其是通信類(lèi)電子產(chǎn)品的核心問(wèn)題。
1.內(nèi)核結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
將數(shù)字信號(hào)處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善，可以使多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?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(dǎo)地位。
2.提高速度，降低功耗
提高數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算速度，降低設(shè)備的功耗，減小尺寸，可以節(jié)省時(shí)間的同時(shí)減少開(kāi)支，滿足用戶(hù)的需求。
3.數(shù)字信號(hào)處理和微處理器的融合
微處理器是一個(gè)成本低，可以執(zhí)行智能定向控制任務(wù)的通用處理器，能很好的執(zhí)行智能控制任務(wù)，但由于其數(shù)字信號(hào)處理功能差，縮小了其應(yīng)用范圍。
數(shù)字信號(hào)處理可以彌補(bǔ)微處理器的不足，因此，把DSP和微處理器結(jié)合起來(lái)，用單一芯片的處理器實(shí)現(xiàn)具有智能控制和數(shù)字信號(hào)處理的兩種功能，將加速個(gè)人通信機(jī)、智能電話、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小PCB體積，降低功耗和整個(gè)系統(tǒng)的成本。
五、結(jié)束語(yǔ)
數(shù)字信號(hào)處理將數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和高速實(shí)時(shí)處理為一體，充分體現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性。隨著信號(hào)處理應(yīng)用的不斷發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展和提高。
數(shù)字信號(hào)處理可以將真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和濾波。在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用中可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)將移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)方向等信息通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部硬件和軟件的集成。針對(duì)常規(guī)單片機(jī)控制系統(tǒng)和采用專(zhuān)用電機(jī)芯片系統(tǒng)存在的問(wèn)題，充分利用 DSP控制器以及TMS320LF2407A 外設(shè)接口豐富及運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，使移動(dòng)機(jī)器人具備良好的調(diào)速性，能達(dá)到較高的控制精度，這些基于 DSP 的運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)許多形式的移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有一定的普適性?；?DSP 的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制環(huán)境信息的實(shí)時(shí)控制，更重要的是其在近年來(lái)的移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用上具有非常重要的意義。
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