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1、DSP的广度和深度数字信号处理技术是一种非常强大的技术，将是塑造新的二十一世纪的科学与工程之一。革命性的变化已经发生在广泛的领域：通信，医疗成像，雷达和声纳，高保真音乐再现，石油勘探等。上述各领域已建立了深厚的DSP技术，有各自的计算方法和独立的技术。正是由于这种广度和深度的结合，因此不可能有任何一个人掌握所有已开发的DSP技术。 DSP教育包含两个目的：学习适用于一个整体领域的一般概念，学习你感兴趣的特定领域的专门技术。本章描述的DSP已在几个不同领域的数字信号处理方面起到意想不到的效果。我们的革命旅程已经开始。1，1 DSP的根源 DSP有独特的数据类型，它使用的数字信号处理数据是区别于其
2、他计算机科学领域的。在大多数情况下，这些信号源于现实世界的数据如：地震的震动，视觉图像，声波等。DSP是一种数学，算法，以及用来操纵这些信号的技术。他们被转换成数字形式是为了便于视觉图像识别和语音生成，存储和传输的数据压缩。假设我们重视计算机模拟数字转换器，并用它来获得一个现实世界的数据块:DSP。回答了下一步怎么办 这个问题。 DSP在20世纪60年代和70年代数字计算机首次面世。当时电脑是昂贵的，DSP是有限的，而且只有少数关键应用。经过努力开拓，DSP在四个关键领域取得突破（雷达，声纳，服务国家安全风险领域和石油勘探），并获得大量资金；太空探索，DSP可以计算出不可替代的数据；医疗成像，
3、可以方便医学研究。20世纪80年代和90年代的个人电脑革命，引起新的应用DSP的快速发展。DSP由商业市场快速带动，而不是由军方和政府的需求带动。任何人如果突然使资金在某个领域迅速扩大，那就只有是DSP领域了。DSP触及到的公众产品有：移动电话，光盘播放器，电子语音邮件。 这一技术革命，是自上而下发生的。在20世纪80年代初，DSP是研究生水平的课程，在电气工程教授级别。十年后，DSP已成为标准的本科课程的一部分。今天， DSP是一种在许多领域的科学家和工程师所需要掌握的基本技能。作一个比喻，DSP可以比作以前的技术革命核心:电子。虽然仍是电气工程领域，但几乎所有的科学家和工程师都要有一些基本
4、的电路设计的知识背景。没有它，他们将迷失在科技世界里。DSP也共有相同的未来。 这最近的历史是十分具有好奇感的，它对你的学习和使用DSP的能力产生了巨大的影响。假设你遇到一个DSP的问题，查询课本或者其他出版物，以找到一个解决方案。你通常会发现许多困难，诸如页后页方程，模糊的数学符号，以及其它不熟悉的术语。这就是一场恶梦! DSP的文献令很多人费解，甚至是一些对这个领域很有经验的人。这并不是说用这种材料有什么错，它只是一个非常特殊的观众。国家的最先进的研究人员需要了解这种详细的数学理解的工作的理论意义。 这本书的一个基本前提是，可以学到最实用的DSP技术，并没有详细的数学和理论的传统障碍。科学
5、家和工程师的数字信号处理指南是写给那些想要使用DSP作为一种工具的人，而不是作为一个新的职业生涯的人。 本章的其余部分说明，DSP已经带来了革命性的变化。请注意，DSP是一项非常跨学科，依托在许多相邻领域的技术工作。正如图。如果你想专注于DSP，由于这是多领域的技术，所以还需要深入研究。1。2通信 通信是指信息传输从一个位置到另一个的技术。 这包括各种形式的信息：电话交谈、电视信号、计算机中的文件以及其他类型的数据。信息的传输需要两个地点之间的通道。这可能是一个线对无线电信号、光纤等电信公司接收他们的客户的信息转移支付，而他们一定要有建立和维护的渠道。金融的底线很简单：信息越多，他们就可以通过
6、一个单一的通道，获得更多的利润。DSP已使电信业的许多领域彻底改变：信号音的产生和检测、频带的转移、过滤、除去电源线的嗡嗡声等。电话网络等具体的例子将在这里讨论：诸如复用，压缩和问声控制。1。2。1复用 在世界上大约有10亿部电话。按几个按钮就可以开关网络，并允许其中任何一部，在几秒钟内跟其他任意一部连接。这项任务的艰巨，是超乎想象的！直到20世纪60年代，两个电话之间的连接才只需要通过机械开关和放大器的模拟语音信号。一个连接需要一对导线。相比之下，DSP音频信号只需要转换成串行数字数据流。由于位可以轻松地交织在一起，然后分开，很多电话交谈可以传输渠道单一。例如，一个电话标准，被称为T载波系统
7、可以同时传送24个语音信号。对每个语音信号进行采样。每秒8000次。使用一个8位集成的(对数压缩)模拟到数字的转换。这个结果是64000比特/秒 所有24个被包含在1544兆比特/秒的渠道代表每个语音信号。这个信号可以传输，需要使用普通电话线，22号铜线，一个典型的互连距离约6000英尺。数字传输的资金优势是巨大的。线和模拟开关是昂贵的数字逻辑但价格便宜。1.2.2压缩当语音信号数字化，在8000样本/秒，大多数的数字信息是多余的。也就是说，任何一个样本进行信息主要靠邻近的样品重复。DSP算法已发展到几十个数字化语音信号转换成数据流，需要较少的比特/秒。这些被称为数据压缩算法。匹配解压缩算法，
8、用于恢复其原来的形式的信号。这些算法不同的金额达到压缩和音质。在一般情况下，减少64千比特/秒的数据传输速率为32千比特/秒的结果，在不损失音质的前提下，当压缩到8千比特/秒的数据传输速率时，声音明显受到影响，但仍然可用在长途电话网络上，达到鼓高压缩约2千比特/秒的高度扭曲的声音，仍可用于某些应用。如军事和海底通信。1.2.3回声 在长途电话连接上，控制回声是一个十分棘手的问题。当你使用一部电话，你的声音信号在传播时，它的一部分回声会返回到接收器中。如果连接是几百公里范围内，接收回声所用的时间只有几毫秒。人类的耳朵习惯于听到这些小的时间延迟的回声。连接听起来很正常，但随着距离变大，回声变得越来
9、越明显和有刺激性。延迟是几百毫秒洲际通信。特别是数字信号处理攻击这类型的问题，通过测量返回信号，并产生适当的反信号取消违规回声。同样的技术，可以允许免提电话用户听取和不战而音频反馈(啸)在同一时间发言。它也可用于减少环境噪声，取消它与数字产生抗噪。1.3音频处理 人的最主要的两个感官是视觉和听觉。相应地，DSP的许多技术有关图像和音频处理，例如人们听音乐和语音。DSP已经在这两个领域取得了革命性的变化。1.3.1音乐 从音乐家的麦克风到高保真扬声器的路径是相当长的。数据表示，重要的是要防止通信与模拟存储和操作相关的技术退化。这是大家非常熟悉的人与光盘以及录音带的音乐元素。在一个典型的场景，音乐
10、作品在具有多个频道或曲目的录音室录制。在某些情况下，这甚至涉及个别乐器和歌手的分别记录。这样做是为了给录音师更大的灵活性，而创造的最终产品是一个复杂的过程，结合到最终产品的个别曲目的缩混，DSP可以再组合提供几个重要的功能，包括：过滤，加法和减法信号，信号的编辑，等等。 最有趣的DSP应用之一是人工混响。如将各个渠道简单相加，那么就会导致一块听起来十分新奇。听众就像在户外玩耍，这是因为听众都深受音乐的影响。通常是录音室最小的回声或混响内容。DSP允许人造回声和混响混合模拟各种理想的听音环境。几百毫秒延迟的回声，就像在大教室听音乐的感觉。10-20毫秒的延迟添加回声提供更多的适度规模聆听室的音效
11、。1.3.2语音生成 语音生成和识别被用于人类和机器之间的沟通，而不是用你的双手和眼睛，你用你的嘴和耳朵。当你的手和眼睛正在做别的事，如：驾驶汽车、进行手术、或拿着武器射向敌人，都是非常方便的。有两种方法用于计算机生成的语音讲话：数码录音和声道模拟。在数码录音中，一个人的声音通常经过压缩形式的数字化处理储存在扬声器中。在播放过程中，存储的数据压缩和转换成模拟信号。即使是小规模的计算机系统内的功能，整个小时的录音讲话只要求有约3兆字节的存储空间。这是今天在数字语音应用中最常用的方法。 声道模拟器比较复杂，它试图模仿人类讲话的物理机制。人类声道是声腔与喉咙的大小和形状确定的共振频率。声音源于声道声
12、和摩擦音。两种基本方式之一是浊音，声带振动产生周期脉冲进入附近的空气。相比之下，摩擦音源于嘈杂的空气湍流，如牙齿和嘴唇。声道模拟器操作的产生类似于激发这两种类型的数字信号。共鸣腔的特点是通过类似共振的激励信号和通过数字滤波器的模拟产生。这种方法是在一个非常早期的DSP成功案例。拼写，广泛应用在几童电子学习援助设备中。1.3.3语音识别 人类语音的自动识别比演讲困难很多。语音识别是人类的大脑表达的经典表现形式，但数码电脑做的很差。数码电脑可以存储和调用大量数据，在飞速运转的计算机中执行数学计算，并没有无聊或低效重复的任务。不幸的是，面临着与原始的感官数据，现今电脑执行得非常糟糕。但教会计算机发送
13、给您每月的电费是很容易的。教会同一台计算机理解你的语音是现今的主要研究方向。 数字信号处理在两个方面接近语音识别：特征提取，特征匹配。传入的音频信号中的每个单词是孤立的，然后计算机分析激发和共鸣频率识别的类型。通过这些参数与前面的例子，搜索找出最接近的讲话。通常情况下，这些系统只有几百字的限制，只能接受具有鲜明的字与字之问的停顿的讲话，以及为各扬声器的必要培训。这为许多商业应用提供足够的技术支持，但还打不到人类的听觉能力的那种震撼人心的效果。有巨大的财政奖励那些商业产品，要在这方面做的大量工作才能成功的。1.4回声定位 常用在是获得远程对象的信息，超声波的关闭。例如，雷达通过发射无线电波脉冲，
14、并从飞机回声中检查接收到的信号。声纳通过水传播的声波探测潜艇和其他水下物体。地球物理学家探测地球就是通过从岩石层深埋爆炸物发出的爆炸声和听回声的方法。虽然这些应用都有一个共同的特点，但每个人都有自己的具体问题和需求。数字信号处理在这三个领域产生革命性的变化。1。4。1雷达 雷达是无线电探测和测距的缩写。在最简单的雷达系统中，无线电发射机产生的无线电频率最的脉冲长有几微秒。此脉冲被送入一个高度定向天线种，产生的无线电波以光速传播。飞机在这一段的路径将反映在同源方向接收天线的一小部分位于附近的传输站点中。脉冲传输和接收的回波之间的计算是从运行时间计算到物体的距离。更简单地说，你知道从发现对象的方向
15、指出的定向天线时收到回音。 经营范围的雷达系统是由两个参数决定：初始脉冲，无线电接收机的噪声水平。不幸的是，增加脉冲能量通常需要较长的脉搏。反过来，在较长的脉冲减少测量准确度和精密度。这两个重要参数之间的冲突结果：能够在远距离探测的对象，并能准确地判断一个对象的距离。 DSP其有革命性变革体现在雷达三个方面，所有这些都涉及到这个基木问题。首先，DSP可以收到压缩后的脉冲，提供更好的距离探测，没有减少使用范围。其次。DSP可以过滤接收到的信号，以减少噪音，这扩大了范围，不缩短距离的探测。第三，DSP能够快速选择不同的脉冲形状和长度和电信号。除其他事项外，这使得脉冲为一个特定的检测问题进行了优化。
16、现在这么多令人印象深刻的部分，是在采样率比使用的无线电频率高出几百兆赫的。对比雷达，因为DSP是硬件设计，所以速度快很多。1.4.2声纳 声纳是声音导航和测距的缩写。它分为主动和被动两大类。主动声纳指声脉冲在2 kHz和40 kHz之间传送入水，由此产生的回声的检测和分析。主动声纳的用途包括：海底机构的检测与定位，导航，通信，测绘海底。10至100公里的一个最大的是典型经营范围。相比之下，被动声纳只监听水下声音，其中包括：自然动荡、海洋生物。由于被动声纳发出能量，被动声呐是监听潜艇和水面舰艇的机械声音等秘密行动的理想选择。你可以检测的其他人，他不能侦测你。被动声纳最重要的应用是在军事监视系统，
17、探测和跟踪潜艇。被动声纳通常使用较低的频率比主动声纳，因为他们通过吸收水传播。检测范围可以达到数千公里。 DSP已彻底改变了许多的雷达声纳：脉冲发生器，脉冲压缩，过滤检测到的信号。有一种观点认为，声纳比雷达简单，因为涉及频率较低。另一种观点认为，声纳是比雷达更困难，因为环境是少得多的统一和稳定。声纳系统通常采用的发送和接收的元素，而不仅仅是一个单一渠道广泛的阵列。通过适当控制和混合信号。这些众多的元素可以避开声纳系统发射脉冲到所需的位置，并确定回声收到的方向。为了处理这些多渠道，声纳系统描要作为雷达的同样庞大的运算能力。1.4.3反射地震 早在20世纪20年代，地球物理学家发现，声音可以探测地
18、壳结构。勘探者可能探测到爆炸和记录边界层超过地表以下10公里的回声。这些回声地震可以由原始的眼睛解释映射地下结构。地震反射法迅速成为主要方法，今天依然如此，比如寻找石油和矿藏。 在理想的情况下，地面发出的声音脉冲产生一个单脉冲穿过征个边界层的回波，但是，通常情况不是这么简单。每个回波返回到表面，必须通过所有其他边界层以上知道它的起源。这可能导致在层与层之间弹跳回声，从而导致在表面上被检测到回声的回声。这些二次回声相呼应，可以检测到的信号非常复杂难以解释。数字信号处理技术已广泛应用后，自1960年以来，隔离从二次回波反射地震。早期地球物理学家怎么没有使用DSP？答案很简单：他们只研究方便的地方，
19、多次反射最小化。DSP则允许，在困难的地方使用，如大海。发现油。1.5影像处理 图像信号特色，第一，他们是一个超过空间(距离)参数的处理，而大多数信号是随着时间的推移处理的。第二，它们包含了大量的信息。例如，超过10兆字节，可存储一秒钟的电视录像。是类似长度的语音信号一千倍以上。第三，质量的最终判断往往是人类的主观评价，而不是一个客观的标准。这些特色使DSP进行图像处理内部的不同分组。1.5. 1医疗 在1895年，威廉康拉德伦琴发现X射线可以解决大量的问题，发展医学革新的能力，可以活生生的人体内部。医用X射线系统在仅仅几年时间在世界各地传播。尽管取得巨大的成功，但医用X射线成像的四个方面是有
20、限的，直到DSP及相关技术的发展在20世纪70年代这些问题才得到解决。首先，在体内的重叠结构可以躲开彼此。例如，心脏部分可能挡住背后的肋骨。其次，它并不总是能够区分类似的组织，例如，它能够从软组织中区分出骨头，但不能区分肝肿瘤。第三，X射线图像表明，人体的解剖结构，而不是身体的运作生理。长相酷似一个死尸的X射线图像，却是一个活生生的人。第四，X射线照射可引起癌症，所以它被用于谨慎和适当的理由。 在1971年引进的第一个电脑断层扫描仪(以前称为计算机轴向断层扫描，或CAT扫描仪)解决了重叠结构的问题。计算机断层扫描(CT)是数字信号处理的一个典型的例子。病人的身体有争议的部分，通过X射线从多个方
21、向，而不是简单的形成与检测到的X射线图像信号转换成数字数据，并存储在计算机中。然后使用这些信息来计算，看似是人体切片图像。这些图像技术远远高于传统的技术细节，从而显着提高诊断和治疗效果。CT的影响几乎和X射线成像本身的影响一样。短短几年，在世界的每一个大医院都有一个CT扫描仪。1979年，两个CT的发明者，戈弗雷北路亨斯菲尔德和艾伦科马克，分享了诺贝尔医学奖。这是也DSP做出的贡献。 过去三年X射线的问题已经得到解决，如无线电和声波穿透能量的问题中DSP起着关键作用。例如，磁共振成像(MRI)利用磁场与无线电波探测人体内部。适当调整的强度和频率等领域引起原子核中的量子能态之间的身体的局部区域产
22、生共鸣。在发射天线发现附近一所中学的无线电波的共振结果。这个检测信号的强度和其他特性提供关于在共振的局部区域的信息。磁场的调整，对整个身体的共振区域进行扫描，映射的内部结构。这种信息通常是图像，就像在电脑中做断层扫描。除了提供不同类型的软组织之间的信息，MRT可提供生理信息，如血流量，通过动脉。磁共振完全依赖数字信号处理技术，没有它们就不能实施。1.5.2空间 有时候，你只是做了一个不好的图片。这通常是从无人驾驶的卫星和空间探测车拍摄的图像。没有人会派修理工到火星，只需要相机调整旋钮。DSP可以改善在这种极为不利的条件下拍摄的图像质量：亮度和对比度调整，边缘检测，降噪，重点调整，运动模糊减少，
23、等有空间扭曲的图像，如果遇到的是一个平面图像球形的星球，也可以变换成一个正确的结果。许多单个图像也可以被组合成一个数据库，允许以独特的方式显示信息。例如，在一个遥远的星球表面的空中飞行的模拟视频序列。1.5.3商业影像产品 图像信息的内容质量数量向公众出售的系统同样是一个问题。商业系统必须是廉价的，并没有网络上的大容量的存储器和高数据传输速率。所以解决这个问题答案是图像压缩。正如语音信号，图像包含大量的冗余信息，并可以通过算法，减少所需要的数位运行。电视和其他运动图像压缩设备尤其适合。因为大多数的图像仍然是从帧到帧实现的。商业影像产品，利用了这种技术的优点，创造出了很多商品：视频电话，计算机程序，显示移动图片的程序和数字电视。
