数字信号处理

1 什么是数字信号处理 （DSP）？

数字信号处理 （DSP） 是工程和应用数学的一个分支，涉及数字信号的处理和分析。数字信号是离散时间信号，由以固定间隔采样的数字序列表示。DSP 涉及各种算法、技术和方法来处理这些数字信号，以检索基本信息或改进特定功能。

目录

• 数字信号处理

• 使用

• 方框图

• 建筑

• 类型

• DSP 与微处理器

• DSP 基础知识

2 什么是 DSP？

数字信号处理 （DSP） 用于处理数字信号分析，以通过算法和技术检索重要信息或改进特定功能，这对于从电信和音频处理到医学成像和控制系统的应用至关重要。

数字信号处理 （DSP） 是工程和数学的一个专业分支，涉及数字信号的处理、分析和转换，以通过使用算法和计算技术来检索信息或更改其特征。它处理离散时间信号，这些信号由以固定间隔采样的数字序列表示。

3 数字信号处理有什么用？

官方数据信号处理相当复杂。它可以标准化或解决数字信号，但也可以执行各种其他功能，包括滤波、压缩和调制。DSP 算法能够区分有序信号和噪声，尽管它们可能并不总是能获得完美的结果。

通信系统涉及噪声水平，无论信号是否同时传输模拟和数字信号，无论传输的信息类型如何。

噪声在数字信号处理中表现出一个持续的挑战，即提高数字信号处理中的信噪比 （S/N）。提高 S/N 比的效率，涉及提高传输信号功率和提高接收器灵敏度。

通过使用模数转换器，模拟输入信号被转换为数字信号。最终的数字信号具有两个或多个电平。电压或电流的值是精确的，我们可以预测这些水平。因此，噪声存在于输入信号和电平中，这些信号和电平不是典型值。通过 DSP 电路配置电平，以便它们可以调整到正确的值。这种技术可以消除噪音。在最后的过程中，在数模转换器的帮助下，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，DSP可以完成此操作，因为它对数字信号进行信号处理

4 数字信号处理在音频应用中有哪些用途？

采用不同类型的方法来提高音频质量并提取重要信息。DSP 可用于音乐制作，以提高音频录制质量、生成新声音和修复音频信号问题。

以下是 DSP 在音频应用程序中使用的其他实例：

• 降噪涉及利用噪声门来消除任何低于预定阈值的音频，以减少音频传输中不需要的噪声。自适应滤波和频谱减法是降低噪声的进一步方法。

• 均衡是修改音频信号的频率响应以提高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，可以减小以方便传输和存储，或动态范围以提高音频信号的质量。

• 音高校正可用于产生特定的音效、调整人声音高偏差或调整音频信号的音高。

5 DSP 内部有什么？

DSP 的基本组件是

• 程序内存： 这是存储 DSP 将执行的指令或程序的地方。

• 数据存储器：数据存储器是存储要处理的信息的地方。

• 计算引擎：计算引擎是 DSP 的核心。它用于对存储在数据内存中的数据执行程序内存中的指令。

• 输入/输出：此组件促进了 DSP 与外部世界之间的交互。它处理要处理的数据的输入和已处理数据的输出。

6 什么是数字信号处理系统？

数字信号处理器由数字信号中使用的不同信号组成，例如音频、语音、温度和视频处理，然后对数字信号处理器进行数学处理。DSP非常快速地执行不同的数学功能，如加法、减法、乘法和除法。

DSP 可与程序存储器、数据存储器、计算机引擎和输入/输出等关键组件配合使用。

• 程序内存用于通过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。

• Compute engine 执行数学运算，处理来自数据和程序内存的信息。

• Input 或 Output 提供不同的功能，以便它可以集成外部数据源

7 数字信号处理器框图

下面给出的是数字信号处理器的框图

数字信号处理的框图包括以下步骤：

第 1 步： 在 DSP 框图中，它从接收电信号开始。它在输入侧使用换能器，例如麦克风，将声音转换为电信号。

第 2 步： 获得电信号后，它给运算放大器的输入端感应模拟信号，从而放大信号。

第 3 步：为了将模拟信号转换为数字信号，我们使用抗混叠滤波器。 它指的是抗锯齿滤镜。它为有限的阈值传递频率。那些高于 Limited 阈值的频率，因此这些频率会衰减。为了检查模拟信号，这些不需要的频率使其变得复杂。

第 4 步：抗混叠滤波器是将模拟信号转换为数字信号的重要步骤。它是一个低通滤波器，允许频率达到某个阈值。它会衰减高于此阈值的所有频率。这些不需要的频率使模拟信号采样变得困难。

第 5 步：现在它使用模数转换器 （ADC） 来感应模拟信号并提供一系列二进制数字。

第 6 步： 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。

第 7 步：现在它使用数字信号处理器，这对于比较 ADC 的采集速率与 DAC 的转换速率非常重要。

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

第 9 步：在最后阶段，我们使用运算放大器作为具有输出传感器（即扬声器）的放大器。

8 数字信号处理器的特点

数字信号处理包括以下功能：

• 数字信号处理器配置为管理重复任务和计算完成任务。

• 数字信号处理器管理数据路径，并倾向于将大量数据快速传输到内存。

• 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功能，例如涉及多存取存储器架构的数据路径和快速乘法累加单元。

• 流水线也经常被用来提高处理器的性能。各种处理器利用流水线，使编程变得困难，但用于更好的增长以提高性能。

9 数字信号处理器的架构

数字信号处理器具有各种架构，组件如下：

10 冯·诺依曼建筑

下面是冯·诺依曼的架构

冯·诺依曼的架构由单个存储器和单个总线组成，用于将数据传入和传出 数字信号处理器的 CPU（中央处理器）。它由 3 个基本单元组成，称为 ISA（指令集架构）。

• 中央处理器 （CPU）：CPU 由控制单元、主内存单元（寄存器）和算术逻辑单元等 3 个基本单元组成。CPU 是系统的主要部分，它由分析输入、数据存储和生成输出所需的每个组件组成。计算机程序的 CPU 进程指令，指导它在系统中分析哪些数据。

• 主内存单元（寄存器）：寄存器用于由计算机内存的 CPU 单元处理，该内存需要接受、存储和发送数据和指令。要确定主内存单元中的寄存器，需要 CPU 来定义处理器寄存器。在主存储单元的架构中，需要寄存器来有效地处理程序执行，其操作和寄存器被定义为高速内存。

• 输入/输出设备：通过输入的 CPU 指令将数据从输入设备读取到主内存。通过使用输出组件，数据是从计算机生成的。如果计算机评估并存档的结果很少，通过使用输出组件，我们可以将它们呈现给用户。

11 哈佛建筑

下面给出的是哈佛架构

Harvard Architecture 由不同的存储和不同的总线组成，用于处理数据和指令。这是一种计算机架构，旨在解决冯·诺依曼架构的局限性。哈佛架构的主要优点是数据和指令都有单独的总线，因此 CPU 可以同时检索读取或写入数据和指令。

它由下面提到的架构中的以下组件组成：

巴士

• 数据总线：它传达与处理器、主内存和输入或输出设备一起包含的信息。

• 数据地址总线：它将数据地址从处理器传输到主存储器。

• 指令总线：它传达与处理器、主存储器和输入或输出设备一起包含的指令。

• 指令地址总线：它将指令地址从处理器传送到主存储器。

操作寄存器

• 程序计数器： 它包含要执行的下一条指令的地址。

• 算术和逻辑单元： 它是 CPU 的一个组件，用于执行 ALU 的重要计算，执行加法、减法、比较和一些其他操作。

• Control Unit（控制单元）：CPU 中管理处理器控制信号的组件。

• 输入/输出系统：使用输入设备和 CPU 所需的输入指令，将数据读入主内存。

12 数字信号处理器的类型

数字信号处理器包括定点处理器和浮点处理器两种类型。

• 定点 ：每个数字都通过最小的 16 位来对齐，尽管可以使用不同的长度。每个数字都指定了唯一的模式。定点意味着我们必须假设小数点位置是固定的，并且操作数和输出运算都是相同的。

• 浮点数 ：这些处理器专门使用 32 位来存储每个值。该处理器具有独特的功能，即所指的数字不是等距的。这导致实现所需的计数器和信号，这些计数器和信号从模数转换器接收，并通过处理定点数发送到数模转换器。

13 数字信号处理器指令集

汇编语言说明 - TMS320F/C24x DSP 说明如下。这些指令集管理计算完成的信号处理操作和通用应用程序，如多处理。指令集 'C24x 与 'C2x 指令集匹配再次收集以在 'C24x 上运行，因为代码是为 'C2x 编写的。TMS320F/C24x DSP 的指令集如下所示。

• 累加器、算术和逻辑指令。

• 辅助寄存器和数据页指针指令。

• TREG、PREG 和 multiply 指令。

• 分支说明。

• 控制说明。

• I/O 和内存操作。

14 数字信号处理器和微处理器的区别

数字信号处理器和微处理器的区别涉及以下几点：

数字信号处理器	微处理器
它是一个特定的微处理器芯片	它是用于计算机的处理器
DSP 主要用于电信、音频信号处理等	微处理器在计算机中用于文本编辑、计算、多媒体显示和通过 Internet 进行通信。
指令集可以在一个 CLK 周期内轻松执行	为了执行一条指令，微处理器利用各种 clock cycles。
它需要并行执行	它需要顺序执行
要处理数组，其操作需要 DSP	它是通用处理所必需的。
该处理器使用两种寻址模式，即直接和间接	微处理器中使用的一些寻址模式是直接、立即、寄存器间接、间接寄存器等。
为了生成地址，它导致将程序排序器和有向无环图 （DAG） 组合在一起。	它提供顺序地址并递增程序计数器
它由三个不同的计算单元组成：MAC、ALU 和 Shifter。	它使用 ALU 作为主机
指令寄存器和程序计数器都管理控制程序流	执行流程可由 Program 计数器控制
它包含不同的数据和程序记忆。	它没有不同的记忆。
它可以一次获取各种操作数。	它可以串行获取操作数。
地址和数据总线在数字信号处理器中多路复用	地址和数据总线在微处理器中未多路复用

15 数字信号处理的基本原理是什么？

数字信号处理基础包括重要术语，因此有助于理解信号的操作：

• 采样：这是将连续模拟信号采样为数字信号的过程。

• 量化： 这是将数字编号分配给计算的模拟信号的过程。它将一组测量值组成一组有限值。

• 离散傅里叶变换 （DFT）：此方法将离散时间信号转换为其频域。它有助于了解信号中存在的各种频率。

• 快速傅里叶变换 （FFT）：该算法非常有效，可以快速执行 DFT。此外，DFT 的先进技术有助于快速、更高效地探索信号。

16 数字信号处理系统的应用

数字信号处理 （DSP） 系统因其在处理数字信号方面的多功能性和有效性而在各个领域都有应用。DSP 系统的一些常见应用包括：

• 电信：DSP 系统用于对移动电话、VoIP 和视频会议等电信中的语音和视频信号进行编码、解码和压缩。这些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）、卫星成像和其他各个领域。

• 雷达和声纳系统：DSP 系统对于处理雷达和声纳信号非常重要，用于国防、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。

• 控制系统：DSP 系统管理用于反馈控制、滤波的数字系统算法，管理机器人、汽车系统和其他各种领域的应用。

• 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种领域。

• 信号处理：DSP 系统用于不同的传感器，例如加速度计、需要用于状态监测信号处理的陀螺仪，以及物联网设备、智能家居等。

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

• 检测和校正： 它允许使用数字信号存在的许多错误检测和纠正特性，例如检测和校正工具，并利用奇偶校验生成和校正。

• 数据存储： 它用于以简单的方式存储数字数据。需要从不同种类的数字记忆中进行选择。

• 加密 ： 数字信号参与简单加密。

• 数据传输 ：它使用数字信号所需的工具，通过使用时分复用技术和一条通信路径在单位时间内发送大量数据，以便传输更多数据。

18 数字信号处理的缺点

数字信号处理器有一些缺点，下面提到的是：

• 复杂性 ：DSP 系统具有一些复杂性，由于使用附加组件而导致增加。

• 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，这些晶体管需要巨大的功率。

• 成本 ：数字信号处理器非常昂贵。

• 带宽 ：与模拟方法相比，数字通信使用宽范围的带宽来发送数据。

• 采样和量化误差： 它对模拟信号进行采样并将其量化为数字信号会产生误差，根据信号中的信息进行衰减。

19 结论

数字信号处理 （DSP） 是一项基础技术，它彻底改变了各个领域中数字信号的操作和分析方式。DSP 使用一些计算算法和技术，提供了与基本模拟信号处理方法相匹配的灵活性和精度。数字信号处理