数字信号处理的实现方法

数电模电是电子信息类专业的专业基础课。但是由于比较难，所以很多人学的并不是很好，今天阿斌就来带大家先简单的了解一下数电模电，后面会出一个系列关于数字信号的处理和DSP技术，大家敬请期待，点赞关注不迷路，下面正式开始！

一、信号是什么？

信号是信息传递的载体，是信息的物理表现形式。信号可以表现为多种形式，如电信号、磁信号、声信号、光信号、热信号等。

信号在数学上可表示为一个或多个自变量的函数，或表示成一个或几个独立变量的函数。

数字信号：时间上离散的信号，通过电压脉冲的变化来表示要传输的数据。计算机处理的信号是数字信号。

模拟信号：指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。

时间/幅度	连续	离散
连续	模拟信号	量化信号
离散	离散时间信号	数字信号

图一：模拟信号和数字信号图像

二、信号的分类

信号可以从不同角度进行分类，下面列举几个不同的分类方式。 1、按照自变量个数分：可以分为一维信号、二维信号、多维信号。信号的自变量可以是时间、频率、空间位置、或者其他物理量。如声音信号就可以看作以微信号；图像信号可以看做二维信号； 2、按照信号取值是否确定分：周期信号：若信号满足f(t) = f(t+mT),m = ...-3,-2,-1,0,1,2,3...或者f(k) = f(k+mN),m = ...-3,-2,-1,0,1,2,3...则信号为周期信号，否则为费周期信号。 3、按照信号取值是否确定不变分：确定信号:信号在任意时刻的取值都是精确确不变的；不确定信号：信号在任意时刻的取值都是不能确定的而是随机变化的； 4、按照信号的能量有限分：能量信号、功率信号。 5、按照自变量和幅度连续或离散分：模拟信号、离散时间信号、数字信号。

三、模拟信号

在连续时间范围内有定义且幅值也连续的信号称为连续时间信号，连续时间信号也称为模拟信号。 如果用数学函数表示信号，则模拟信号是自变量和因变量都可以连续取值的信号。 如果用函数x(t)来表示一维模拟信号，其中t表示自变量，则模拟信号x(t)的可以在自变量内取到任意值，且函数x(t)也可以在值域范围内连续取值，如下图所示1； 模拟信号存在于生活中的各个角落，如温度的变化，声音信号等。 但是大家有没有想过模拟信号为什么叫模拟信号呢？为什么不叫连续信号或者其他的名字呢？其实我也不知道[手动狗头] 开个玩笑，关于他为什么叫模拟信号目前比较能接受的一个说法就是：把被测参量的物理变化用电信号来模拟，然后变换为标准的输出形式，发生给执行测控的电路去做进一步的处理。 将模拟信号的幅度离散，即幅度取离散的值，而时间取连续的值，由此得到的信号称为量化信号，量化信号的图像如下图所示：

图二：模拟信号的量化图

四、数字信号

首先数字信号和模拟信号最大的一个区别就是数字信号不是连续的，即数字信号是离散的； 自然界中的数字信号的例子实在是太少了，因为很多的事物或者信号都是连续的，不连续的自然信号少之又少，尽管如此，数字信号在我们的生活中还是存在的，比如数字有线电视信号，手机信号，宽带信号等都是数字信号. 只有0和1的信号是不是数字信号？数字信号是不是只有0和1？如果这个问题放在最开始，估计会有很多人回答错误，但是上面我们已经介绍过数字信号和模拟信号了，相信小伙伴们已经不会再回答错误了！ 首先数字信号是只有0和1吗？答案很明显不是，如下图这个数字信号，就不只是有0和1，数字信号的关键在于他的离散性，而不是在他的取值范围上。 图三：非0.1数字信号图 数字信号是指用一组特殊的状态来描述信号，典型的就是当前用最为常见的二进制数字来表示的信号，之所以采用二进制数字表示信号，其根本原因是电路只能表示两种状态，即电路的通与断。 在实际的数字信号传输中，通常是将一定范围的信息变化归类为状态0或状态1， 这种状态的设置大大提高了数字信号的抗噪声能力。不仅如此，在保密性、抗干扰、传输质量等方面，数字信号都比模拟信号要好，且更加节约信号传输通道资源。

	优点	缺点
数字信号	抗干扰能力强、通信的保密性好	算法复杂
模拟信号	分辨率高	保密性差、抗干扰能力弱

数字信号一般以“1.0”的方式进行传播的，比如规定0.8V～1.3V之间的电平为高电平，虽然高电平被干扰信号叠加，但是仍然在这个门限以内，一样会被识别为1，而不会被识别为0。在经过放大之后，干扰信号就会被剔除，信号会重新生成标准信号。

五、数字信号的处理

实际生产生活中的各种物理量，如摄相机摄下的图像、录音机录下的声音、车间控制室所记录的压力、流速、转速、湿度等等都是模拟信号。 数字信号是在模拟信号的基础上经过采样、量化和编码而形成的。换句话说，就是把输入的模拟信号按一定的时间间隔得到各个时刻的样本值。再把经采样测得的各个时刻的值用二进码制来表示，编码则是把时间化生成的二进制数排列在一起形成顺序脉冲序列。 实际中遇到的信号大多为模拟信号，模拟信号可以经过加法器、乘法器和逻辑元件的数字硬件或专用微处理器进行处理。

图四：广义数字信号处理过程

说明： (1)模拟低通滤波器是模拟系统，通过对输人的模拟信号进行处理，输出模拟信号; (2)取样是对连续时间信号的时间离散化; (3)保持是将取出的时间离散信号维持一段时间不变; (4) A/D变换器是将离散信号的幅度变为数字信号; (5) D/A变换器是将数字信号变为时间连续的阶梯信号的系统，阶梯信号再通过低通模拟滤波器就可以得到复制平滑的模拟信号了；

六、数字信号处理的实现方法

数字信号处理总体上可以分为通过软件、通过硬件、软件硬件结合的方式实现，具体方法如下： 图五：数字信号处理过程 1、通过软件实现在计算机上使用通用软件实现对数字信号的处理。列入使用MATLAB软件进行数字信号处理。这种方法慢，一般用于处理算法模拟。 2、专用加速处理方式借助软件开发工具和开发语言设计出处理软件。这种系统专用性较强，开发成本大。 3、软硬结合处理采用数字信号处理器结合嵌入式软件进行数字信号处理。列入采用TMS320C55XX进行数字语音信号处理，这种方法使用广泛。也可以使用单片机进行处理，但是只能处理不太复杂的数字信号。 4、硬件方法采用数字集成电路实现数字信号的处理，列入数字集成电路实现语音编解码，用FPGA实现数字调制，此方法专用性较强。

七、数字信号处理的应用

在各种高新技术发展的今天，数字信号处理在生活中得到了广泛应用。基于数值数据通讯的互联网应用非常广泛，在互联网中传输的是数字信号，信号在传输和转化过程中经过压缩、编码等数字处理，也可以以数字方式储存。 数字信号处理在数字语音、汽车多媒体、MP3/MP4/MP5、数字扫面仪、数字电视机顶盒、医院监视系统、生物指纹系统等领域都有大量应用。 数码相机、数字电视、数字计算机都是数字信号的处理系统。数码相机将外界的模拟图像变换成数字图像，根据一定的数字压缩算法处理，获得占用存储空间较小的数字文档。 数字电视则是将模拟视频转换为数字视频后进行数字压缩编码，再经过数字广播发送出去，接收方获得数字电视信号后再进行逆变换。 计算机中的文档、表格、图片、歌曲、视频等多媒体都是经过数字处理的结果。这些文档、表格等媒体是在专用的处理软件或编码方法下进行，可以存储、传输、编辑、转化等并可以通过输出设备进行输出。 另外，数字语音中的语音分析、合成、识别、增强、编码，数字图像中图像的增强、恢复、去噪、压缩，都需要用到数字信号处理。

审核编辑：彭静