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详解:数字信号处理(DSP)与模拟信号

更新时间: 2020-09-26
阅读量:13049

数字信号处理(DSP)是计算机科学中的一个令人振奋的领域,对于嵌入式系统产品的设计工程师来说,它具有无限的可能性。DSP技术使用专门设计的程序和算法来处理模拟信号,并产生质量更高、不易衰减或更易于传输的信号。

在下文中,英锐恩单片机开发工程师将介绍数字信号处理背后的一些技术。研究典型的组件,模拟和数字信号之间的主要区别以及DSP的最常见用例。

一、什么是数字信号处理(DSP)?

数字信号处理(DSP)是一项强大的技术,在科学、工程、医疗保健和通信等许多领域都有应用。DSP技术可以处理和处理从各种现实来源获得的感官数据。视觉图像,声波甚至地震波都可以用作数字信号处理的输入。

DSP的一般功能是测量、压缩或过滤模拟信号。这通常需要DSP在固定或受限的时间范围内执行大量简单的数学功能(加,减,乘,除等)。

无论何时需要压缩,测量或过滤音频或其他类型的信号,都可以使用数字信号处理技术。DSP的开发始于1960年代末和1970年代初,当时数字计算机首次提供给政府和大型公司,但尚未提供给公众。此时,DSP技术的应用集中在重要领域上,如雷达和声纳,太空和石油勘探以及医学成像等领域。随着个人计算在1980年代及以后变得司空见惯,数字信号处理看到了更广泛的商业和以消费者为中心的应用程序。手机、电影特效和mp3文件均取决于DSP技术。

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二、数字信号处理的组成部分

典型的数字信号处理系统遵循基本架构,该架构有利于模拟信号的数字转换和处理。对DSP的首要要求始终是信号源-必须有一个信号要滤波,测量或压缩。处理信号的第一步是使用模数转换器(ADC)将模拟信号转换为数字信号。ADC将输入模拟电压转换为该电压的数字测量值。

在将信号转换为数字格式之后,可以将数据通过DSP微处理器芯片,在其中可以根据特定应用的要求对信号进行滤波,压缩或其他处理。对数字信号进行适当修改后,可以使用数模转换器(DAC)将其转换回模拟格式。最终结果将是一个新的模拟信号,该信号代表原始输入信号的数字修改。

数字信号处理芯片包含四个主要组件:

1.程序存储器:DSP芯片包含两种类型的存储器。第一种是程序存储器,用于存储芯片将用于处理数据的程序和算法。DSP芯片的编程因应用而异。

2.数据存储器:DSP芯片中使用的第二种类型的存储器称为数据存储器。芯片在这里存储接收到的数据,并将在芯片上对其进行处理。数据通常作为数字信号接收,该数字信号先前是从模拟信号转换而来的。

3.计算引擎:计算引擎是DSP芯片的中央处理单元。这是芯片的计算能力发挥作用的地方,程序存储器中的算法将被应用于处理数据。

4.输入/输出:DSP芯片可能具有许多不同类型的端口,包括串行端口,计时器,主机端口,外部端口,LINK端口以及其他类型。端口允许DSP从其他设备(例如ADC或DAC转换器)发送和接收数据传输。DSP也可以通过端口连接合并到更大的计算机系统中。

三、DSP与模拟信号有何不同?

英锐恩单片机开发工程师介绍,在上文中我们已经了解了数字信号处理的工作原理,你可能想知道DSP的各种应用以及将模拟信号转换为数字格式的真正价值在哪?为了解决这个问题,我们需要更多地了解模拟和数字之间的定义和区别。

模拟信号是一个连续信号,其时间变量类似于随时间变化的某些物理量,例如音频,电压或压力。描绘电压随时间变化的模拟信号可能反映+/- 120V的幅度,并且该信号表示该范围内的所有值。相反,数字信号将代表与离散值序列相同的电压,通常是使用二进制数字系统为计算机编码的离散值序列。

模拟和数字信号包含相同的信息,但格式不同。模拟信号反映了我们生活在一个世界中的现实,在这个世界中,我们可以看到无数种不同的颜色,听到无数种声音,甚至闻到无数种气味。我们可以将这些数据转换为数字格式,将每种颜色,气味或声音表示为1和0的组合。然后,我们可以编写程序,借助数字信号处理以不同和有用的方式处理数据。作为最后一步,我们可以将经过数字处理的数据从计算机语言转换回模拟形式,从而可以听到或看到结果。

四、为什么要使用数字信号处理?

英锐恩单片机开发工程师介绍,为了证明DSP的多功能性和实用性,我们可以简要地探讨数字信号处理技术在众多应用中的一些应用。

(1)音频处理中的DSP

数字信号处理技术在处理供人类消费的音频信号中起着重要作用。这些通常以两种形式出现:音乐和语音。

英锐恩单片机开发工程师解释,录制音乐的过程取决于DSP产生的最终混音,该混音最适合人耳。在录音室中,曲目的各个组成部分都以模拟形式进行记录,然后转换为数字格式,可以对其进行音量,音调和其他一系列功能的操纵。DSP可以帮助进行滤波,信号加法和减法(添加新声音或减去不需要的声音),编辑等等。

DSP用于计算机生成的语音应用程序,该应用程序将数字记录技术和声道模拟相结合,以使用计算机复制人的语音模式。

(2)回声位置的DSP

数字信号处理在现代雷达系统的功能中起着重要作用。DSP可用于压缩脉冲射频,从而提高雷达上检测到的物体的距离确定精度。DSP芯片还可以通过过滤噪声来增加雷达系统的有效范围,并且它可以允许操作员发送形状和长度不同的无线电波脉冲,从而可以根据具体情况优化脉冲。

以上就是英锐恩单片机开发工程师分享的数字信号处理(DSP)与模拟信号的基础知识。英锐恩专注单片机应用方案设计与开发,提供8位单片机、16位单片机、32位单片机、运放芯片和模拟开关。