什么是数字信号处理 （DSP）？
数字信号处理（DSP）作为工程学领域的相关分支学科之一
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
什么是 DSP？
数字信号处理（DSP）旨在通过算法与技术进行数字信号分析，在电信与音频处理方面能够有效提取关键信息，并在医学成像及控制系统中起到关键作用。
数字信号处理（DSP）是工程学与数学交叉领域的重要学科，在这一领域中研究如何采集、分析及变换数字信号以提取有用信息并对其特性进行调整。该学科关注离散时间序列（即按等间隔采样得到的有序数值序列）。
- 数字信号处理有什么用？
官方的数据信号处理具有显著的复杂性。它不仅能够对数字信号进行标准化处理或解决相关问题，并且还可以执行一系列其他功能，例如滤波、压缩以及调制等多种操作。DSP算法具备识别有序数据与噪声的能力，在实际应用中未必能达到完美的效果。
通信系统受到噪声水平的影响，并非仅限于同时传输模拟信号与数字信号的情形；不论传递的信息类型为何种形式
噪声在数字信号处理中展现出一个持续的挑战（S/N），也就是提升数字信号处理中的信噪比。具体来说，要提高S/N比的效率，则需要通过优化传输信号功率以及增强接收器灵敏度来实现。
数字信号处理有什么用？
官方数据信号处理过程极为复杂。它可以进行标准化处理或对数字信号进行处理，并非仅仅局限于这些功能。此外，在执行滤波、压缩以及调制等功能时也表现出色。DSP算法能够有效地区分有序信号与噪声，并非总是能取得理想的效果
通信系统包含了噪声水平。不论信号是否同时传输模拟与数字信号，则不论信息的类型是什么样的
噪声长期困扰着数字信号处理领域，并且直接关系到该领域的技术发展。具体而言，在提升S/N比值方面存在两个关键路径：一是优化传输介质以增强其功率输出；二是提升接收设备的灵敏度水平。
模数转换器
该数字信号包含至少两个不同的电平。
电压或电流的具体数值是精确设定的。
我们能够预判这些电平的变化。
输入信号及其对应的电平可能存在噪声。
这些参数并非典型的数值。
通过专门设计的DSP电路调整各电平。
以便将它们调节至预期的理想状态。
这一技术能够有效去除噪声干扰。
在最后一阶段的操作中，在数模转换器的作用下完成数字到模拟信号的转变。
为了消除噪声并减少信号中的错误，
数字信号处理在音频应用中有哪些用途？
通过不同类型的技巧来提升音频质量并提取关键信息。DSP可用于音乐制作领域，并能有效提升录音质量、生成新的声音以及修复音频信号问题。
以下是 DSP 在音频应用程序中使用的其他实例：
- 降噪涉及通过噪声门去除小于预定阈值的音频作为降低 audio noise 的方法之一。
- 均衡旨在调整 audio frequency response 以提升 recording quality 或创造 unique sound characteristics.
- 压缩技术有助于减少 audio file volume 以便于 transmission 和存储 同时还能提升 audio quality.
- 音高校正技术能够生成 specific sound effects 调整 vocal offset 并优化 audio signal frequencies.
DSP 内部有什么？
DSP 的基本组件是
DSP 的组件
- 程序空间用于存放DSP将要执行的指令或程序代码。
- 信息库专门用于保存DSP正在处理的数据内容。
- 运算核心负责处理来自数据内存中的数据，并根据来自程序内存中的指令进行运算。
- 输入/输出接口是DSP与外部设备进行通信的桥梁。它接收即将处理的数据输入，并将完成后的结果输出给外部系统。
什么是数字信号处理系统？
一种复杂的系统架构设计能够有效地整合多领域的信息流并实现统一管理与控制目标。该系统主要涵盖以下几个关键组成部分：首先是由数字电路中的模拟组件与数字组件共同作用完成数据采集与转换过程；其次通过高速数据传输通道实现各模块之间的实时通信与信息交互；最后通过先进的人机交互界面实现数据可视化展示与用户指令输入输出功能的一体化集成。
DSP不仅在功能上具有广泛的应用潜力，在工作环境中也表现出色。如程序存储器、数据存储器等关键组件。
- 程序内存用于通过执行程序来处理数据。
- 数据存储器用于存储能够被处理的数据。
- Compute engine 进行数学运算，并负责处理来自数据和程序内存的信息。
- Input或Output承担不同的功能目标，以整合外部数据源为主。
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
DSP 框图
数字信号处理的框图 包括以下步骤：
数字信号处理的框图 包括以下步骤：
第 1 步：
第 2 步： 接收到电信号后，该装置通过运算放大器的输入端接收模拟信号，并进而实现信号的放大。
第 3 步： 采用抗混叠滤波器来完成模拟到数字信号的转换。这通常被称为抗锯齿滤镜。能够传递低于设定阈值范围内的频率；而高于该阈值范围的部分会被抑制；这样处理后便于更好地分析原始模拟信号。
第 4 步：
第 5 步： 它现在通过模数转换模块（ADC）采集模拟信号并生成一组离散的二进制数值序列。
第 6 步：
目前采用了数字信号处理器这一技术，在优化 ADC 采样率与 DAC 转换率的对比方面至关重要。
第 8 步： 在当前阶段中，在这里我们采用平滑滤波器（称为低通滤波器），它不仅有效地去除不必要的高频分量，并且通过优化输出提升信号质量。
第 9 步： 在最终阶段执行时，我们采用运算放大器作为带有输出传感器（即扬声器）的部分。
数字信号处理器的特点
数字信号处理包括以下功能：
- 数字信号处理芯片被设置为协调重复任务并负责计算完成的任务。
- 该数字信号处理芯片负责管理数据路径，并有倾向地将大量数据迅速传输至内存区域。
- 为了提升硬件的整体效能感，在设计上这些处理器特意引入了多种特殊的指令集以进一步优化运算效率。
- 该数字信号处理芯片拥有两大核心功能：一是支持多存取存储器架构的数据通路；二是配备了高效的快速乘法器与累加器单元。
- 流水线技术常被采用以提升 processor 的运行效能；尽管各类 processor 都依赖于流水线机制来加速处理速度；然而这种方法使得编程变得较为复杂。
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：
冯·诺依曼建筑
下面是冯·诺依曼的架构
冯·诺依曼的建筑
冯·诺依曼体系结构由单一存储设备与传输通道构成，在接收与发送数据方面具有特殊功能。数字信号处理器的核心组件是CPU（中央处理器），负责执行计算任务。该系统主要包含三个核心组件，并被称为ISA（指令集架构）。
- 中央处理器 （CPU）：* CPU 由控制核心、主存储设备（寄存器）以及算术逻辑电路等 3 个基本组件构成。它负责处理输入信号、存储数据以及生成系统输出指令。计算机程序通过 CPU 进程来指导其分析输入数据以生成结果。
- 主内存单元（寄存器）：* 寄存器用于接收并存储数据与指令以便于计算机处理它们。为了确定处理器中的寄存器配置需要 CPU 来定义这些核心参数在内存架构中寄存器的作用是加速程序执行它们的操作均基于高速缓存技术。
- 输入/输出设备：* 通过 CPU 指令将数据从输入设备读取到主存储区域然后利用输出组件将生成的数据传输给外部设备或用户使用时可选择性地呈现结果以减少过多的临时数据积累从而提高系统的效率。
哈佛建筑
下面给出的是哈佛架构
哈佛建筑
该体系结构由若干独立的数据存储模块与专用总线系统构成，并专门用于执行数据运算与指令操作。属于计算机体系结构领域中的一个重要设计。其显著优势在于将运算数据与指令信息通过专用通道独立开来，并且能够实现运算资源的有效共享。这种设计使得中央处理器能够在不同总线之间灵活切换任务处理模式，在提升系统性能的同时兼顾了扩展性和灵活性。
它由下面提到的架构中的以下组件组成：
巴士
- 数据总线：它是传递给处理器、主内存以及输入/输出设备所需的信息的通道。
- 数据地址总线：它是负责传输数据地址从处理器到主存储器的任务。
- 指令总线：它是传递给处理器、主存储器以及输入/输出设备所需的指令的通道。
- 指令地址总线：它是负责将指令地址从处理器发送至主存储器的任务。
操作寄存器
- PC（程序计数器）： 其功能是存储并指示下一条待执行指令的位置。
- ALU（算术逻辑单元）： 作为CPU的核心组件，在进行算术运算与逻辑运算方面发挥着关键作用。
- CU（Control Unit）： 在CPU架构中负责接收指令并生成相应的控制信号。
- IO（输入输出系统）： 它负责通过输入设备接收数据并通过相应的接口传输至CPU进行处理。
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：每个数字都被精确对齐到16位，并且虽然允许采用不同长度但必须具备明确的配置模式。定点运算意味着小数点位置固定不变，并且所有操作均基于此进行处理。
- 浮点数：这些处理器采用32位来表示每个数值，并且这些处理器具有独特的功能特性即所代表的数值并非等间距分布。为了实现这种功能这些处理器需要依靠模数转换器获取计数器信号，并将这些信号传递给相应的模块完成运算。
数字信号处理器指令集
汇编语言说明部分针对TMS320F/C24x DSP进行了详细描述。这些指令集负责管理计算完成后端的信号处理操作以及通用应用程序。'C24x 指令集与 'C2x 指令集兼容并可在 'C24x 上正常运行。TMS320F/C24x DSP 的指令集详细列举如下。
- 累加器电路执行算术运算及逻辑操作。
- 辅助寄存器用于临时存储数据页中的指针信息。
- TREG与PREG分别负责定时器计数器的控制与数据寄存器的操作。
- 分支说明部分详细描述了条件判断的实现方式。
- 控制说明中包含了程序流程管理的关键信息。
- I/O模块负责输入输出操作的协调工作。
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 |
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： 这是一个从连续模拟信号到数字信号的转换过程。
- 量化： 这是一个通过赋予计算模拟信号特定数值来实现编码的过程；它通过将测量值映射到有限集合来实现。
- 离散傅里叶变换 （DFT）： 这一方法用于从时域到频域转换数据序列；其主要作用是分析数据中所包含的各种频率成分。
- 快速傅里叶变换 （FFT）： 这一算法具有极高的效率；能够显著提高DFT运算的速度；同时结合先进的DFT技术进一步提升了数据处理能力。
数字信号处理系统的应用
数字信号处理（DSP）系统因其强大的处理能力以及高效性，在多个领域都得到了广泛应用。DSP系统的一些典型应用场景包括：
- 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。
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：它涵盖了一种数字信号，在这种情况下与其他不必要的信号混合的可能性较低；总体上其干扰水平较低。
- 检测和校正：该系统具备多种基于数字信号存在的错误检测与纠正特性；例如利用奇偶校验进行生成与纠正。
- 数据存储：这种技术主要用于以相对简单的方式存储数字信息；需要从不同类型的存储介质中进行选择。
- 加密：通过参与简单的加密过程实现安全的数据保护。
- 数据传输：借助时分复用技术以及单一通信通道，在单位时间内传输大量数据；从而提高信息传递效率。
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 ：该系统具有一定的复杂性，并因引入了额外的组件而有所提升。
- 功率 ：数字信号处理器采用了多种晶体管，在性能上与模拟信号处理器相比需要显著的电能供应。
- 成本**** 数字信号处理器的成本非常高昂。
- 带宽 **** 相较于模拟通信方法而言，在数字通信中采用了更广频段的技术来传输信息。
- 采样和量化误差 **** 在将模拟信号转换为数字信号的过程中会产生采样和量化误差。
结论
数字信号处理（DSP）作为一种基础技术，在多个领域中实现了对数字信号的操作与分析方式的根本性转变。DSP通过运用一系列计算算法和技巧，在处理数字信号时展现出与传统模拟信号处理相当的灵活性与精确度。