定義

       20世紀(jì)50年代，抽樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究的進(jìn)展和離散系統(tǒng)理論的發(fā)展奠定了數(shù)字信號(hào)處理的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。1965年，J．W．庫(kù)利和T．W．圖基首先提出離散傅里葉變換的快速算法，簡(jiǎn)稱快速傅里葉變換(FFT)，使離散傅里葉變換（DFT)的運(yùn)算次數(shù)大為減少。這一突破導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)處理從概念上和實(shí)現(xiàn)上發(fā)生了重大的轉(zhuǎn)折。同一時(shí)期，應(yīng)用計(jì)算機(jī)逼近和仿真模擬濾波器的數(shù)字濾波理論也得到發(fā)展?？焖俑道锶~變換和數(shù)字濾波理論形成了數(shù)字信號(hào)處理的兩大支柱。大規(guī)模數(shù)字集成電路的出現(xiàn)，為數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)提供了有利的條件。70年代中期數(shù)字信號(hào)處理已形成為一門獨(dú)立的學(xué)科。

應(yīng)用

       數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，就其所處理的信號(hào)的特點(diǎn)而言，可以分為語音信號(hào)處理和圖像信號(hào)處理。在通信工程領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用。例如，應(yīng)用數(shù)字濾波器取代通信設(shè)備中的模擬濾波器，可以使設(shè)備小型化，提高可靠性?？焖俑道锶~變換與多相濾波器可以實(shí)現(xiàn)多通道濾波器。應(yīng)用抽樣率變換濾波可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制、解調(diào)。應(yīng)用自適應(yīng)濾波可以實(shí)現(xiàn)信道均衡、回波抵消、天線陣波束形成等。應(yīng)用非線性濾波可以濾除圖象的噪聲干擾。所以說數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)通信技術(shù)的發(fā)展有著極為重要的作用。

       廣義來說，數(shù)字信號(hào)處理是研究用數(shù)字方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、濾波、檢測(cè)、調(diào)制、解調(diào)以及快速算法的一門技術(shù)學(xué)科。但很多人認(rèn)為：數(shù)字信號(hào)處理主要是研究有關(guān)數(shù)字濾波技術(shù)、離散變換快速算法和譜分析方法。隨著數(shù)字電路與系統(tǒng)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也相應(yīng)地得到發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。

       數(shù)字控制、運(yùn)動(dòng)控制方面的應(yīng)用主要有磁盤驅(qū)動(dòng)控制、引擎控制、激光打印機(jī)控制、噴繪機(jī)控制、馬達(dá)控制、電力系統(tǒng)控制、機(jī)器人控制、高精度伺服系統(tǒng)控制、數(shù)控機(jī)床等。

       面向低功耗、手持設(shè)備、無線終端的應(yīng)用主要有：手機(jī)、PDA、GPS、數(shù)傳電臺(tái)等。

數(shù)字濾波器

       數(shù)字濾波器的實(shí)用型式很多，大略可分為有限沖激響應(yīng)型和無限沖激響應(yīng)型兩類，可用硬件和軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)。在硬件實(shí)現(xiàn)方式中，它由加法器、乘法器等單元所組成，這與電阻器、電感器和電容器所構(gòu)成的模擬濾波器完全不同。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)很容易用數(shù)字集成電路制成，顯示出體積小、穩(wěn)定性高、可程控等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)方法是借助于通用數(shù)字計(jì)算機(jī)按濾波器的設(shè)計(jì)算法編出程序進(jìn)行數(shù)字濾波計(jì)算。

傅里葉變換

       1965年J.W.庫(kù)利和T.W.圖基首先提出離散傅里葉變換的快速算法，簡(jiǎn)稱快速傅里葉變換，以FFT表示。自有了快速算法以后,離散傅里葉變換的運(yùn)算次數(shù)大為減少，使數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)成為可能。快速傅里葉變換還可用來進(jìn)行一系列有關(guān)的快速運(yùn)算，如相關(guān)、褶積、功率譜等運(yùn)算?？焖俑道锶~變換可做成專用設(shè)備，也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)。與快速傅里葉變換相似，其他形式的變換，如沃爾什變換、數(shù)論變換等也可有其快速算法。

譜分析

       在頻域中描述信號(hào)特性的一種分析方法，不僅可用于確定性信號(hào)，也可用于隨機(jī)性信號(hào)。所謂確定性信號(hào)可用既定的時(shí)間函數(shù)來表示，它在任何時(shí)刻的值是確定的；隨機(jī)信號(hào)則不具有這樣的特性，它在某一時(shí)刻的值是隨機(jī)的。因此，隨機(jī)信號(hào)處理只能根據(jù)隨機(jī)過程理論，利用統(tǒng)計(jì)方法來進(jìn)行分析和處理，如經(jīng)常利用均值、均方值、方差、相關(guān)函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等統(tǒng)計(jì)量來描述隨機(jī)過程的特征或隨機(jī)信號(hào)的特性。

       實(shí)際上，經(jīng)常遇到的隨機(jī)過程多是平穩(wěn)隨機(jī)過程而且是各態(tài)歷經(jīng)的，因而它的樣本函數(shù)集平均可以根據(jù)某一個(gè)樣本函數(shù)的時(shí)間平均來確定。平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)本身雖仍是不確定的，但它的相關(guān)函數(shù)卻是確定的。在均值為零時(shí),它的相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換或Z變換恰恰可以表示為隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度函數(shù)，一般簡(jiǎn)稱為功率譜。這一特性十分重要，這樣就可以利用快速變換算法進(jìn)行計(jì)算和處理。

       在實(shí)際中觀測(cè)到的數(shù)據(jù)是有限的。這就需要利用一些估計(jì)的方法，根據(jù)有限的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)出整個(gè)信號(hào)的功率譜。針對(duì)不同的要求，如減小譜分析的偏差，減小對(duì)噪聲的靈敏程度，提高譜分辨率等。已提出許多不同的譜估計(jì)方法。在線性估計(jì)方法中，有周期圖法，相關(guān)法和協(xié)方差法；在非線性估計(jì)方法中,有最大似然法,最大熵法，自回歸滑動(dòng)平均信號(hào)模型法等。譜分析和譜估計(jì)仍在研究和發(fā)展中。

       數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。就所獲取信號(hào)的來源而言，有通信信號(hào)的處理，雷達(dá)信號(hào)的處理，遙感信號(hào)的處理，控制信號(hào)的處理，生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理，地球物理信號(hào)的處理，振動(dòng)信號(hào)的處理等。若以所處理信號(hào)的特點(diǎn)來講，又可分為語音信號(hào)處理，圖像信號(hào)處理，一維信號(hào)處理和多維信號(hào)處理等。

處理系統(tǒng)

       無論哪方面的應(yīng)用，首先須經(jīng)過信息的獲取或數(shù)據(jù)的采集過程得到所需的原始信號(hào)，如果原始信號(hào)是連續(xù)信號(hào)，還須經(jīng)過抽樣過程使之成為離散信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到能為數(shù)字計(jì)算機(jī)或處理器所接受的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。如果所收集到的數(shù)據(jù)已是離散數(shù)據(jù)，則只須經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換即可得到二進(jìn)制數(shù)碼。數(shù)字信號(hào)處理器的功能是將從原始信號(hào)抽樣轉(zhuǎn)換得來的數(shù)字信號(hào)按照一定的要求，例如濾波的要求，加以適當(dāng)?shù)奶幚?，即得到所需的?shù)字輸出信號(hào)。經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換先將數(shù)字輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)，再經(jīng)過保持電路將離散信號(hào)連接起來成為模擬輸出信號(hào)，這樣的處理系統(tǒng)適用于各種數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用，只不過專用處理器或所用軟件有所不同而已。

語音信號(hào)處理

       語音信號(hào)處理是信號(hào)處理中的重要分支之一。它包括的主要方面有：語音的識(shí)別，語言的理解，語音的合成,語音的增強(qiáng),語音的數(shù)據(jù)壓縮等。各種應(yīng)用均有其特殊問題。語音識(shí)別是將待識(shí)別的語音信號(hào)的特征參數(shù)即時(shí)地提取出來，與已知的語音樣本進(jìn)行匹配，從而判定出待識(shí)別語音信號(hào)的音素屬性。關(guān)于語音識(shí)別方法，有統(tǒng)計(jì)模式語音識(shí)別，結(jié)構(gòu)和語句模式語音識(shí)別，利用這些方法可以得到共振峰頻率、音調(diào)、嗓音、噪聲等重要參數(shù)，語音理解是人和計(jì)算機(jī)用自然語言對(duì)話的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。語音合成的主要目的是使計(jì)算機(jī)能夠講話。為此，首先需要研究清楚在發(fā)音時(shí)語音特征參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，然后利用適當(dāng)?shù)姆椒M發(fā)音的過程，合成為語言。其他有關(guān)語言處理問題也各有其特點(diǎn)。語音信號(hào)處理是發(fā)展智能計(jì)算機(jī)和智能機(jī)器人的基礎(chǔ)，是制造聲碼器的依據(jù)。語音信號(hào)處理是迅速發(fā)展中的一項(xiàng)信號(hào)處理技術(shù)。

圖像信號(hào)處理

       圖像信號(hào)處理的應(yīng)用已滲透到各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。譬如，圖像處理技術(shù)可用于研究粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡、生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、地貌的狀態(tài)、氣象云圖的分析、宇宙星體的構(gòu)成等。在圖像處理的實(shí)際應(yīng)用中,獲得較大成果的有遙感圖像處理技術(shù)、斷層成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和景物分析技術(shù)等。根據(jù)圖像信號(hào)處理的應(yīng)用特點(diǎn)，處理技術(shù)大體可分為圖像增強(qiáng)、恢復(fù)、分割、識(shí)別、編碼和重建等幾個(gè)方面。這些處理技術(shù)各具特點(diǎn)，且正在迅速發(fā)展中。

振動(dòng)信號(hào)處理

       機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的分析與處理技術(shù)已應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、船只、機(jī)械設(shè)備、房屋建筑、水壩設(shè)計(jì)等方面的研究和生產(chǎn)中。振動(dòng)信號(hào)處理的基本原理是在測(cè)試體上加一激振力，做為輸入信號(hào)。在測(cè)量點(diǎn)上監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)。輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之比稱為由測(cè)試體所構(gòu)成的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（或稱轉(zhuǎn)移函數(shù)）。根據(jù)得到的傳遞函數(shù)進(jìn)行所謂模態(tài)參數(shù)識(shí)別，從而計(jì)算出系統(tǒng)的模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼等主要參數(shù)。這樣就建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)而可以做出結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些工作均可利用數(shù)字處理器來進(jìn)行。這種分析和處理方法一般稱為模態(tài)分析。實(shí)質(zhì)上，它就是信號(hào)處理在振動(dòng)工程中所采用的一種特殊方法。

地球物理處理

       為了勘探地下深處所儲(chǔ)藏的石油和天然氣以及其他礦藏，通常采用地震勘探方法來探測(cè)地層結(jié)構(gòu)和巖性。這種方法的基本原理是在一選定的地點(diǎn)施加人為的激震，如用爆炸方法產(chǎn)生一振動(dòng)波向地下傳播,遇到地層分界面即產(chǎn)生反射波,在距離振源一定遠(yuǎn)的地方放置一列感受器，接收到達(dá)地面的反射波。從反射波的延遲時(shí)間和強(qiáng)度來判斷地層的深度和結(jié)構(gòu)。感受器所接收到的地震記錄是比較復(fù)雜的，需要處理才能進(jìn)行地質(zhì)解釋。處理的方法很多，有反褶積法，同態(tài)濾波法等，這是一個(gè)尚在努力研究的問題。

生物醫(yī)學(xué)處理

       信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)方面主要是用來輔助生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論的研究和用于診斷檢查和監(jiān)護(hù)。例如，用于細(xì)胞學(xué)、腦神經(jīng)學(xué)、心血管學(xué)、遺傳學(xué)等方面的基礎(chǔ)理論研究。人的腦神經(jīng)系統(tǒng)由約 100億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞所組成，是一個(gè)十分復(fù)雜而龐大的信息處理系統(tǒng)。在這個(gè)處理系統(tǒng)中，信息的傳輸與處理是并列進(jìn)行的，并具有特殊的功能，即使系統(tǒng)的某一部分發(fā)生障礙，其他部分仍能工作，這是計(jì)算機(jī)所做不到的。因此，關(guān)于人腦的信息處理模型的研究就成為基礎(chǔ)理論研究的重要課題。此外，神經(jīng)細(xì)胞模型的研究，染色體功能的研究等等，都可借助于信號(hào)處理的原理和技術(shù)來進(jìn)行。

       信號(hào)處理用于診斷檢查較為成功的實(shí)例，有腦電或心電的自動(dòng)分析系統(tǒng)、斷層成像技術(shù)等。斷層成像技術(shù)是診斷學(xué)領(lǐng)域中的重大發(fā)明。X射線斷層的基本原理是X射線穿過被觀測(cè)物體后構(gòu)成物體的二維投影。接收器接收后，再經(jīng)過恢復(fù)或重建，即可在一系列的不同方位計(jì)算出二維投影,經(jīng)過運(yùn)算處理即取得實(shí)體的斷層信息,從而大屏幕上得到斷層造像。信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用正處于迅速發(fā)展階段。

       數(shù)字信號(hào)處理在其他方面還有多種用途，如雷達(dá)信號(hào)處理、地學(xué)信號(hào)處理等，它們雖各有其特殊要求，但所利用的基本技術(shù)大致相同。在這些方面，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)起著主要的作用。

發(fā)展

       數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是數(shù)字信號(hào)處理研究和應(yīng)用的系統(tǒng)。在任何實(shí)際應(yīng)用中，首先需采集原始信號(hào)，如果原始信號(hào)是連續(xù)時(shí)間信號(hào)，則須經(jīng)抽樣成為離散信號(hào)，再經(jīng)模-數(shù)變換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。如果采集的原始信號(hào)已是離散信號(hào)，則只需經(jīng)模-數(shù)變換為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的功能是對(duì)原始信號(hào)抽樣變換 得到的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)按一定的要求，例如變換或?yàn)V波的要求，進(jìn)行處理，得到所需要的輸出數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過數(shù)-模變換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)，再經(jīng)保持電路將離散信號(hào)還原為連續(xù)時(shí)間信號(hào)輸出。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)可以用數(shù)字計(jì)算機(jī)及軟件構(gòu)成，也可采用通用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP芯片）構(gòu)成，或用專用信號(hào)處理器構(gòu)成。

       數(shù)字信號(hào)處理研究的內(nèi)容十分廣泛，根據(jù)不同領(lǐng)域的應(yīng)用雖各有所側(cè)重，但快速、髙效算法的研究，高處理速率實(shí)時(shí)硬件實(shí)現(xiàn)的研究，以及新的應(yīng)用的研究則是推進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展的主要課題。

       隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，以及DSP芯片復(fù)雜性及速率的提高，許多非常復(fù)雜的計(jì)算或處理過程均可以在一個(gè)芯片中得到實(shí)時(shí)處理，因而在數(shù)字程控交換、數(shù)字衛(wèi)星通信、數(shù)字移動(dòng)通信、ISDN、B-ISDN，以至高清晰度數(shù)字電視的設(shè)備中得到廣泛的采用，它已成為現(xiàn)代信息技術(shù)，人工智能應(yīng)用等領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)性技術(shù)。

關(guān)系

       數(shù)字信號(hào)處理與模擬信號(hào)處理都是信號(hào)處理的子集，范疇均屬于信號(hào)處理，所謂"信號(hào)處理"，就是要把記錄在某種媒體上的信號(hào)進(jìn)行處理，以便抽取出有用信息的過程，它是對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取、變換、分析、綜合等處理過程的統(tǒng)稱。但數(shù)字信號(hào)處理以及模擬信號(hào)處理所處理的對(duì)象不一致，因此處理的具體流程也不盡相同，但目的都是為了提取出有用的信息。

處理器

       DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，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。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點(diǎn)：

       （1）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；

       （2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；

       （3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問；

       （4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；

       （5）快速的中斷處理和硬件I/O支持；

       （6）具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；

       （7）可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；

       （8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

       當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些。