数字信号处理的域

数字信号处理系统

在数字信号处理领域，工程师们常常在以下的一些特定域中研究数字信号：时域（一维的信号）、空间域（多维信号）、频域、自相关域和小波域。他们基于有根据的猜测来选择不同的域来研究信号（或者是为了尝试不同的可能性），以找到能最佳表达信号特征的域。从测量仪器得到的采样串行表现为时域和空间域的信号，然后通过离散傅立叶变换产生频域信号，这就是所谓的频谱。自相关被定义为对信号本身在变化的时间和空间坐标上做互相关处理。

数字系统

更多资料：采样

真实世界的信号一般是连续的模拟信号，相应的系统为模拟系统。为了在模拟系统中应用数字信号处理，必须在模拟系统和数字系统之间进行转换。通常将模拟系统的输入数字化，即信号采样，将此数字信号作为数字系统的输入。类似的，在数字信号处理的输出端，将输出的数字信号转换为模拟信号即为模拟系统的输出。

对模拟信号的采样必须满足采样定理以避免频谱混叠。也就是说，采样频率必须大于被采样信号带宽的两倍。为了保证被采样的模拟信号是带限的，通常在采样之前要对它进行适当的带通或低通滤波。信号采样包括两个步骤：即将变量和值都连续的模拟信号先后转换为在变量上离散的的离散信号和值上也离散的数字信号（量化）。

时域和空域

在时域和空域最常用的处理方法是使用称为滤波的方法增强输入信号强度。滤波大体上包括对于目前输入或者输出信号周围一些环境样本的变换。有不同方法表示滤波器的特点；例如：

“线性”滤波器是对于输入采样的线性变换；其它滤波器则是“非线性的”。线性滤波器满足重叠条件，例如，如果一个输入信号是不同权重信号的组合，输出就是同等权重的对应输出信号的线性组合。

“因果”滤波器仅仅使用前面输入或者输出信号的采样；一个“非因果”滤波器使用未来的输入采样。有些非因果滤波器可以在上面添加一个延时转换成因果滤波器；反之，因果滤波器可以通过引入延时单元获得非因果滤波器的某些特性。

“非时变”滤波器有不随时间变化的恒定属性；其它诸如自适应滤波器随着时间变化。

一些滤波器是“稳定的”，另外一些则是“不稳定的”。一个稳定滤波器随着时间延长输出逐渐汇聚到一点或者在一个有限时间段内在一个范围内波动。一个不稳定滤波器产生发散的输出。

“无限脉冲响应”（IIR）滤波器含有反馈结构，因此它的输出不但与之前的输入信号有关，还与之前的输出信号有关。而“有限脉冲响应”（FIR）滤波器没有反馈结构，它的输出仅仅与之前的输入信号有关。同样因为有无反馈的关系，IIR滤波器可能是不稳定的，而FIR总是稳定的。

多数滤波器能够在Z域（频域的一个超集）用它们的传递函数描述。一个数字滤波器可以表示为一个差分方程、零点和极点集合。或者，如果是FIR滤波器的话，可以表示为脉冲响应或者阶梯响应。FIR滤波器对应一个输入的输出可以用输入信号和脉冲响应的卷积来计算。滤波器也可以使用系统框图表示，它们然后就可以用于派生出一个处理算法示例使用硬件实现这个滤波器。

频域

信号通常通过傅里叶变换从时域或者空间域转换到频域。傅里叶变换将信号信息转换成每个成分频率上的幅度和相位。傅里叶变换经常转换成功率谱，功率谱是每个成分频率幅度的平方。

在频域分析信号的最常见目的是分析信号属性。工程师通过分析频谱就可以知道输入信号中有那些频率的信号没有那些频率的信号。

有一些通用的频域变换方法，例如倒频谱通过傅里叶变换将信号转换到频域、取对数、然后再进行傅里叶变换。这种方法加强了幅度较小的成分频率但是保留了成分频率幅度的顺序。

应用

DSP的主要应用是音频信号处理、音频压缩、数字图像处理、视频压缩、语音处理、语音识别和数字通信等。明确的例子有数字移动电话中的语音压缩和传输、高保真音响设备中声音均衡、天气预报、经济预测、地震数据处理、工业过程的分析和控制、电影中的计算机动画、如X射线断层成像和MRI这样的医学影像、图像处理以及用于电吉他功放的数字音效。另外的应用还有PC声卡的超低频接收。

相关理论方法

线性时不变系统

傅里叶变换

滤波器设计

最小相位

相关领域

FPGA

自动控制

计算机科学

数据压缩

电气工程

信息论

地震信号处理

通信

注释

^[1]

参考文献

Alan V. Oppenheim, Ronald W. Schafer, John R. Buck : Discrete-Time Signal Processing , Prentice Hall, ISBN 0-13-754920-2

Richard G. Lyons: Understanding Digital Signal Processing , Prentice Hall, ISBN 0131089897

Sen M. Kuo, Woon-Seng Gan: Digital Signal Processors: Architectures, Implementations, and Applications , Prentice Hall, ISBN 0130352144

Bernard Mulgrew, Peter Grant, John Thompson: Digital Signal Processing - Concepts and Applications , Palgrave Macmillan, ISBN 0-333-96356-3

Steven W. Smith: Digital Signal Processing - A Practical Guide for Engineers and Scientists , Newnes, ISBN 0-7506-7444-X

Paul A. Lynn, Wolfgang Fuerst: Introductory Digital Signal Processing with Computer Applications , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-97984-8

James D. Broesch: Digital Signal Processing Demystified , Newnes, ISBN 1878707167

John Proakis, Dimitris Manolakis: Digital Signal Processing - Principles, Algorithms and Applications , Pearson, ISBN 0133942899

Hari Krishna Garg: Digital Signal Processing Algorithms , CRC Press, ISBN 0849371783

P. Gaydecki: Foundations Of Digital Signal Processing: Theory, Algorithms And Hardware Design , Institution of Electrical Engineers, ISBN 0852964315

Paul M. Embree, Damon Danieli: C++ Algorithms for Digital Signal Processing , Prentice Hall, ISBN 0131791443

Anthony Zaknich: Neural Networks for Intelligent Signal Processing , World Scientific Pub Co Inc, ISBN 9812383050

Vijay Madisetti, Douglas B. Williams: The Digital Signal Processing Handbook , CRC Press, ISBN 0849385725

Stergios Stergiopoulos: Advanced Signal Processing Handbook: Theory and Implementation for Radar, Sonar, and Medical Imaging Real-Time Systems , CRC Press, ISBN 0849336910

Joyce Van De Vegte: Fundamentals of Digital Signal Processing , Prentice Hall, ISBN 0130160776

Ashfaq Khan: Digital Signal Processing Fundamentals , Charles River Media, ISBN 1584502819

Jonathan M. Blackledge, Martin Turner: Digital Signal Processing: Mathematical and Computational Methods, Software Development and Applications , Horwood Publishing, ISBN 1898563489

Bimal Krishna, K. Y. Lin, Hari C. Krishna: Computational Number Theory & Digital Signal Processing , CRC Press, ISBN 0849371775

Doug Smith: Digital Signal Processing Technology: Essentials of the Communications Revolution , American Radio Relay League, ISBN 0872598195

Henrique S. Malvar: Signal Processing with Lapped Transforms , Artech House Publishers, ISBN 0890064679

Charles A. Schuler: Digital Signal Processing: A Hands-On Approach , McGraw-Hill, ISBN 0078297443

James H. McClellan, Ronald Schafer, Mark A. Yoder: Signal Processing First , Prentice Hall, ISBN 0130909998

Artur Krukowski, Izzet Kale: DSP System Design: Complexity Reduced Iir Filter Implementation for Practical Applications , Kluwer Academic Publishers, ISBN 1402075588

John G. Proakis: A Self-Study Guide for Digital Signal Processing , Prentice Hall, ISBN 0131432397

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