数字信号处理技术论文(2)
数字信号处理技术论文篇二
浅谈数字信号处理技术的应用
【摘要】数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，是数字化时代的重要发展方向。本文对数字信号处理技术的理论，及其应用领域进行了简单的介绍，并对其未来的发展方向进行了讨论。
【关键词】数字信号处理;应用;发展方向
一、数字信号处理原理
数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门可以将将信号以数字方式表示并处理的理论和技术。数字信号处理可以对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波，也就是利用计算机或者专业的处理设备，将信号以数字方式进行采集，变换，滤波，估值，增强，压缩，识别等处理，进而以得到人们需要的信号形式。
数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。数字信号处理器(DSP)是一种特别适合于进行数字信号处理算法的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。数字信号处理器是在微电子学以及数字信号处理技术发展到一定阶段后产生的一种用于数字信号处理操作的专用芯片器件。其可以通过过滤、抽样、转换等方法，将收集的初始信号按照一定的所需要求(比如放大、缩小或滤波)，再通过一些必要的适当处理(模数转换)得到数字信号。当然，数字信号处理器也具有将数字信号转换为模拟信号的功能，其同样需要一些必要的适当处理(数模转换)。上述的处理方法进一步完善便可以发展为数字信号处理系统，该系统适用于许多领域，比如航空领域、雷达领域、医疗领域、家用电器领域、自动控制领域等。普通 DSP 具有已改进的哈佛结构、多总线结构以及流水线结构，而 TMS320LF2407A 属于 TI 公司的 TMS320 系列 DSP，其除了具有上述结构还具有专门为数字处理控制而设计的结构，通过采用高性能的静态 CMOS 技术，将电压从一般的 5V 降为现在的 3.3V，这样做的突出优点就是减少了电源功耗。并且，TMS320LF2407A 芯片将执行指令的速率提升至40MIPS(百万指令每秒)，即意味着几乎所有的指令均具有在 25ns 内完成的能力，具有这样的高运算速度需要采用高级的控制算法(比如，模糊控制、卡尔曼滤波、状态控制)。除此之外，TMS320LF2407A 芯片还必须具有电机控制的外围设备(比如，32kB 闪存、2kB RAM、SPI(串行外设接口)、SCI(串行通信接口)、具有两个事件的管理模块、A / D 转换器(16 通道双 10 位)以及 CAN 控制模块)。
二、数字信号处理的算法
数字信号处理的主要算法是离散傅里叶变换(DFT)，DFT先将信号在数字域和频域实现离散化，再利用计算机或者是专用的处理设备如数字信号处理器(DSP)处理离散信号。但是真正使数字信号处理从理论走向实用的算法是快速傅里叶变换(FFT)，FFT的出现DFT的运算次数大为减少，使实时的数字信号处理成为可能，极大促进了该学科的发展。
傅立叶变换是数字信号处理重要的组成部分，时间和频率是数字信号处理中的两个最基本也是最重要的表达信号。傅立叶正变换或反变换，可以把时间域信号转到频率域或把频率域信号转到时间域，但是我们所要测量的信号大部分是连续周期信号，不能直接在计算机上计算出它的傅里叶变换，但是可以通过DFT及其快速算FFT实现时域和频域都离散化的变换，可以再在计算机上实现信号的频谱分析及其他方面的处理，因此DFT在数字信号处理和数字图像处理中得到了广泛的应用，通过它建立了离散时域与离散频域之间的关系。
三、数字信号处理目前的主要应用领域
数字信号处理的实质就是把现实世界里的信息转换成另一种形式，通过计算机辅助设备的帮助提取出来，转换成能为人或计算机设备可以识别的另一种形式。目前国内外的学者认为DSP在数字信号处理方面有很大的优势，因为具有灵活性大、体积小、功耗低、精度高、可靠性高、等优点，已经在数字信号处理方面广泛应用。
1.语音信号处理
语音信号是数字信号处理的重要组成部分，其中包括：语音的识别，语言的理解，语音的合成，语音的增强，语音的压缩等。发展语音信号处理的目的是为了制造声码器，是智能计算机和智能机器人的发展的基础。
2.数据调制解调器
调制解调器是数字信号处理器的传统应用领域之一，它作为多媒体信息处理系统与通信部分联系的纽带，利用PC机实现Internet的拨号连接，是目前最简单便捷的连接方式。
随着网络信息时代的到来，使用Internet的用户数量逐步增长，低性能的DSP器件已经满足不了客户的需求，研制可以传送速度更快、传递信息量更多的高性能的DSP是未来的发展方向。
3.图形图像处理需求
图像信号处理可以用于DVD里应用的活动图像压缩，可以研究月球的地貌、气象云图的分析、宇宙星体的构成等，所以已经被广泛的应用到各个领域。同时还可以根据图像信号处理的特点，将图像进行压缩、解压、分割、识别、编码和重建等几个方面。
4.汽车电子系统及其它应用领域
随着汽车行业的蓬勃发展，汽车电子系统行业也逐步发展，而汽车电子系统主要是利用数字信号处理技术(DSP)里的红外线和毫米雷达装备，或者是利用DSP处理过的图形数据进行安全分析，保证安全驾驶。目前，DSP已经在汽车电子系统的领域得到认可。
5.生物医学信号处理
在生物医学方面信号处理主要是用来辅助生物医学基础理论的研究和用于诊断检查和监护，其中包括细胞学、脑神经学等方面的基础理论研究。
数字信号处理在脑电或心电的自动分析系统、断层成像技术中有成功的例子，为生物医学提供了一种新的研究方法，降低了死亡率。
目前，数字信号处理已经应用到多种学科，如振动信号处理、地球物理信号处理等方面，虽然应用领域不同，其中的核心技术大致相同。由此可见，数字信号处理已经成为当今世界的核心技术之一。 6.在移动机器人中的应用
在基于 USB 总线的新型开放式移动机器人控制系统中，机器人以 PC 为上位计算机，用一块 DSP运动控制卡对机器人的两个步进电机进行控制。并采用 USB 总线进行上下位机之间的通讯，很好地实现了机器人的实时控制，设计制作的一种分布式超声环境探测系统，可用于实现移动机器人的环境地图建立、定位、目标跟踪、导航、避障等功能。DSP运动控制卡是以 TMS320LF2407 芯片(上述)为核心的，通过发送脉冲信号实现移动机器人的左右两路步进电机。DSP 控制系统的工作原理如下：首先，对该移动机器人周围的障碍物采集有关的信息;随后通过 USB 总线，向上位计算机发送所采集的障碍物信息，并接收上位计算机 PC 所规划的路径轨迹的命令或轨迹无线信号;然后，将所接收到的路径轨迹命令或轨迹无线信号转化成脉冲信号;最后，通过所转化的脉冲信号实现对步进电机的控制，进一步实现对基于 USB 总线的移动机器人的运动控制。
以2009 年全国大学生电子设计竞赛为例，有一个可移动带有声源的移动机器人 S，三个声音接收器 A、B 和 C，声音接收器之间有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离 Ox 线(或 O'y 线)的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。可移动声源运动的起始点必须在 Ox 线右侧，位置可以任意指定。
四、数字信号处理的发展
高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用是数字信号处理未来的发展方向，如何将DSP芯片越来越多地渗透到各种电子产品当中，也成为各种电子产品尤其是通信类电子产品的核心问题。
1.内核结构的改进
将数字信号处理器的内核结构进一步改善，可以使多通道结构和单指令多重数据(SIMD)、特大指令字组(VLIM)在新的高性能处理器中将占主导地位。
2.提高速度，降低功耗
提高数字信号处理的运算速度，降低设备的功耗，减小尺寸，可以节省时间的同时减少开支，满足用户的需求。
3.数字信号处理和微处理器的融合
微处理器是一个成本低，可以执行智能定向控制任务的通用处理器，能很好的执行智能控制任务，但由于其数字信号处理功能差，缩小了其应用范围。
数字信号处理可以弥补微处理器的不足，因此，把DSP和微处理器结合起来，用单一芯片的处理器实现具有智能控制和数字信号处理的两种功能，将加速个人通信机、智能电话、无线网络产品的开发，同时简化设计，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。
五、结束语
数字信号处理将数据采集、传输、存储和高速实时处理为一体，充分体现了数字信号处理系统的优越性。随着信号处理应用的不断发展，数字信号处理技术将会进一步发展和提高。
数字信号处理可以将真实世界的连续模拟信号进行测量和滤波。在移动机器人领域应用中可以通过数字信号处理器(DSP)将移动机器人的运动速度、运动轨迹、运动方向等信息通过模数转换成为数字信号，再对数字信号进行处理、分析，实现对外部硬件和软件的集成。针对常规单片机控制系统和采用专用电机芯片系统存在的问题，充分利用 DSP控制器以及TMS320LF2407A 外设接口丰富及运算速度快的特点，使移动机器人具备良好的调速性，能达到较高的控制精度，这些基于 DSP 的运动控制器的实现方法，对许多形式的移动机器人驱动系统具有一定的普适性。基于 DSP 的移动机器人控制系统不仅可以实现对移动机器人远程控制环境信息的实时控制，更重要的是其在近年来的移动机器人的研究和应用上具有非常重要的意义。
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