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数字信号和模拟信号的区别是什么(同济大学数字信号处理教程)

什么是数字信号处理?

DSP处理不同类型的信号,旨在过滤,测量或压缩并产生模拟信号。模拟信号的不同之处在于获取信息并将其转换为变化幅度的电脉冲,而数字信号信息被转换成二进制格式,其中每个数据位由两个可区分的幅度表示。另一个明显的区别是模拟信号可以表示为正弦波,数字信号表示为方波。DSP几乎可以在任何领域中找到,无论是石油处理,声音再现,雷达和声纳,医学图像处理还是电信 - 基本上任何信号被压缩和再现的应用。

数字信号处理简介

那究竟什么是数字信号处理?数字信号处理采用已经数字化的音频,语音,视频,温度或压力等信号,然后以数学方式对其进行操作。然后可以将该信息表示为离散时间,离散频率或其​​他离散形式,以便可以对信息进行数字处理。现实世界中需要一个模数转换器来获取模拟信号(声音,光,压力或温度),并将它们转换为数字格式的0和1。

DSP包含四个关键组件:

  • 计算引擎:通过从程序存储器访问程序或任务以及存储在数据存储器中的信息来进行数学处理,计算和处理。
  • 数据存储器:存储要处理的信息,并与程序存储器协同工作。
  • 程序存储器:存储DSP将用于处理,压缩或操作数据的程序或任务。
  • I / O:这可以用于各种事情,具体取决于DSP所使用的领域,即外部端口,串行端口,定时器和连接外部世界。

下面是DSP的四个组件在一般系统配置中的外观图。

数字信号处理简介

DSP滤波器

切比雪夫滤波器是一种数字滤波器,可用于将一个频段与另一频段分开。这些过滤器以其主要属性,速度而闻名,虽然它们不是性能类别中最好的,但它们对于大多数应用程序来说已经足够了。切比雪夫滤波器的设计围绕着称为z变换的材料技术进行设计。基本上,z变换将由实数或复数序列组成的离散时间信号转换为频域表示。切比雪夫响应通常用于通过允许频率响应中的纹波来实现更快的滚降。这些滤波器称为1类滤波器,这意味着频率响应中的纹波仅允许在通带中。这为任何滤波器对指定阶数和纹波的理想响应提供了最佳近似。它旨在删除某些频率,并允许其他频率通过过滤器。切比雪夫滤波器的响应通常是线性的,非线性滤波器可能导致输出信号包含输入信号中不存在的频率分量。

为何使用数字信号处理?

为了理解数字信号处理或DSP与模拟电路的比较,可以将两个系统与任何滤波器功能进行比较。虽然模拟滤波器将使用放大器,电容器,电感器或电阻器,并且价格合理且易于组装,但校准或修改滤波器顺序将相当困难。但是,使用DSP系统可以完成同样的工作,更容易设计和修改。DSP系统上的滤波器功能是基于软件的,因此可以选择多个滤波器。此外,要创建具有高阶响应的灵活且可调节的滤波器,仅需要DSP软件,而模拟需要额外的硬件。

例如,具有给定频率响应的实际带通滤波器应具有阻带滚降控制,通带调谐和宽度控制,阻带中的无限衰减,以及通带内完全平坦且零相移的响应。如果使用模拟方法,二阶滤波器将需要大量交错的高Q值部分,这最终意味着调整和调整将非常困难。在使用DSP软件接近这一点时,使用有限脉冲响应(FIR),滤波器对脉冲的时间响应是当前和有限数量的先前输入值的加权和。如果没有反馈,当样品到达“生产线末端”时,它对给定样品的唯一响应就会结束。考虑到这些设计差异,DSP软件因其在模拟电路滤波器设计上的灵活性和简单性而被选中。

创建此带通滤波器时,使用DSP并非完成任务。实现它并制造滤波器要容易得多,因为您只需要为进入器件的每个DSP芯片编程滤波器。但是,使用模拟组件时,存在组件故障的风险,调整电路并对每个模拟电路上的滤波器进行编程。DSP为信号处理创建了一种经济实惠且不那么繁琐的滤波器设计方法,并且通常可以提高调谐和调整滤波器的精度。

ADC和DAC

几乎每个领域都使用电气设备。模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)是任何领域中任何DSP变化的基本组件。这两个转换接口是转换现实世界信号所必需的,以允许数字电子设备拾取任何模拟信号并对其进行处理。以麦克风为例:ADC将输入收集的模拟信号转换为音频设备,转换为可由扬声器或监视器输出的数字信号。当它通过音频设备到达计算机时,软件可以添加回声或调整声音的速度和音高以获得完美的声音。另一方面,DAC将已处理的数字信号转换回音频输出设备(如监视器)使用的模拟信号。

数字信号处理简介

一种称为数字斜坡ADC的模数转换器涉及比较器。将某个时间点的模拟电压值与给定的标准电压进行比较。实现此目的的一种方法是将模拟电压施加到比较器的一个端子和触发器,称为二进制计数器,用于驱动DAC。当DAC的输出实现到比较器的另一端时,如果电压超过模拟电压输入,它将触发信号。比较器的转换停止二进制计数器,然后二进制计数器保持与该点处的模拟电压对应的数字值。下图显示了数字斜坡ADC的示意图。

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