卜子東 吳佳凱

華北水利水電大學機械學院

一、數(shù)字信號處理技術概要

（一）數(shù)字信號處理的概念

數(shù)字信號處理是以軟件或硬件為實現(xiàn)依托，采用數(shù)值計算的方法對數(shù)字信號進行操作處理的一門網絡理論與計算機科學相結合的學科。它主要研究內容是如何應用計算機和各種數(shù)字硬件通過卷積運算和離散傅氏變換、序列傅氏變換以及Z變換等變換方法還有FFT算法等處理各種各樣的信號。

（二）數(shù)字信號處理技術的特點

（1）數(shù)字信號處理技術具有較高的精度。利用數(shù)字系統(tǒng)在處理一些高精密性的信號時會表現(xiàn)出極強的優(yōu)勢。

（2）數(shù)字信號處理技術具有良好的穩(wěn)定性。數(shù)字系統(tǒng)中的參數(shù)不會因環(huán)境因素的變化而變化，還可以在一定條件下將不穩(wěn)定的信號通過一些運算變換轉化為穩(wěn)定信號，鞏固了自身的穩(wěn)定性能。

（3）數(shù)字信號處理技術的靈活性能。主要表現(xiàn)為可以通過改變或者增添及刪減數(shù)字系統(tǒng)中的一個或一些參數(shù)變量來達到改變系統(tǒng)性能，從而滿足用戶使用的要求。

（4）數(shù)字信號處理技術可實現(xiàn)多種功能。通過數(shù)字信號處理的一些技巧來完成許多功能。

二、數(shù)字信號處理的最新應用

談及數(shù)字信號處理的應用，其淵源可以追溯到17世紀，隨著計算機技術的發(fā)展，1965年，庫利和圖基提出了快速傅氏變換的理論使數(shù)字信號處理開始浮出水面[1]，到20世紀80年代，數(shù)字信號處理因當時的科學技術受限就一直處于基礎發(fā)展階段。1982年，第一個DSP芯片的誕生為數(shù)字信號處理技術注入了極強的動力，運算速度得到質的有效飛躍[2]。從20世紀90年代起，承載著第三、四次工業(yè)革命的豐碩成果，數(shù)字信號處理與電子計算機、人工智能等結合，得以迅猛發(fā)展，造就了如今高精度、高速度、高水平的數(shù)字信息處理技術。

（一）數(shù)字信號處理在聲音處理領域的應用

貢維勇[3]闡述了基于DSP的智能降噪耳機，其設計了一個完整的DSP智能降噪耳機控制系統(tǒng)，能夠將噪音信號處理轉換為次級聲波，與原噪聲信號在特定的區(qū)域內相互抵消，使耳機不但能降低噪音干擾，而且還能保持耳機中原來呈現(xiàn)出的良好的音質效果。Fatemeh Hajiahababa等人[4]研究出了一種基于小波神經網絡的人工耳蝸IIR濾波器組插件，其采用粒子群優(yōu)化算法在基于2db信噪比的訓練集上調整了小波神經網絡的權值，再根據所定義的包含有最小均方誤差和短時目標可懂度的代價函數(shù)以及包含有分段信噪比、對數(shù)似然比和加權譜斜率等綜合指標評估其性能。在水聲領域中，聲吶設備是探測水下環(huán)境的重要工具，但水中存在著各種噪聲擾動信號，因此，要想使聲吶探測效果更好，就必須檢測出噪聲并利用一定的技術手段進行處理，以此來保障聲吶通信質量的可靠性。張舒皓等人[7]將6片性能優(yōu)良的數(shù)字信號處理器芯片組合起來構成了信號處理機，硬件系統(tǒng)完成后，他們親自設計開發(fā)出了相對應的軟件系統(tǒng)，可以與信號處理硬件相匹配。通過實時的對其性能進行優(yōu)化設計，該聲吶探測系統(tǒng)在復雜的水下環(huán)境中的低速運動具有應答速度快，信號穩(wěn)定以及探測準確等特點，有效解決了水下雜波信號的影響。任宇飛[8]等人提出了可以基于TMS320C6678多核DSP構建一個在水下進行對探測聲吶信號處理的平臺，利用此處理器具有的能夠多核并行運算的特點，結合DSP軟件程序，利用波束形成算法對聲信號進行相位取齊的時延補償操作，獲取信噪比較大的信號，從而探測出目標的相對基陣方位，此系統(tǒng)有力證明了多核DSP強大的運算處理能力。

（二）數(shù)字信號處理在氣體檢測中的應用

全國兩會的成功舉辦引出了許多熱點話題，其中，關于生態(tài)環(huán)保、污染防治的內容依舊是全國關注的焦點之一。人們越來越重視由空氣污染造成的健康危害，所以氣體檢測技術也就發(fā)展起來了。林桂玲[5]提出在氣體檢測中，將某種氣體調節(jié)到待測氣體的吸收線位置，應用數(shù)字信號放大器將氣體中的噪聲信號進行放大，從而升高其信噪比，此時，低頻區(qū)域內就會出現(xiàn)有用的信號，高頻區(qū)域內只有噪聲信號，因此就可以利用這一特性，再利用具有濾波作用的DSP芯片，降低噪聲帶給氣體整體的影響，進而檢測這種氣體的吸收線特征，從而可以得到有毒有害氣體的數(shù)據，進一步實施治理方案。另外，張魯寧、石玉[6]指出將數(shù)字信號處理濾波器中的數(shù)據與二次諧波信號的原理結合，建立仿真模型，利用乘法器對待測信號與調諧信號以及有關正弦信號進行處理，可以得到諧波信號，再加以濾波，就可以大幅降低信號中的噪聲的影響，得到二次諧波信號，從而滿足不同環(huán)境下對氣體標準的要求。

（三）數(shù)字信號處理在車輛領域的應用

在車輛領域內，主要是利用DSP技術可以對車載相機傳輸出的圖像進行處理，便于操縱人員及時準確的作出反應。在有些性能測試或極端情況下，為保證駕駛員的人身安全，需要進行遠程控制車輛，為此，吉豪等人[9]基于DSP和LaVIEW軟件提出設計一套車輛遠程駕駛系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包括利用DSP芯片采集傳感器信號以此來獲取遠程駕駛人員的操縱指令并處理相應數(shù)據的操縱平臺、用于實時傳輸操縱人員的指令，并且及時回傳車輛的狀態(tài)畫面的通信系統(tǒng)以及遠程車輛通信系統(tǒng)。但即使是遠程操縱汽車，也會有發(fā)生碰撞的潛在可能性，劉金清和陳存弟二人[10]研究出了基于機器視覺的車輛偏離檢測與車輛前向安全車距檢測技術，在該項研究中，他們構建了車距監(jiān)測模型以及可通過設置安全和警報區(qū)域的車道偏離模型，最后利用DSP-DM3730平臺進行測試，車距的穩(wěn)定性以及偏離的反饋均顯示良好。

（四）數(shù)字信號處理在機器人領域中的應用

機器人最重要的就是中樞控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)發(fā)出指令，機器人才能完成相應的動作，數(shù)字信號處理器可以幫助機器人更好的處理數(shù)據并作出相應操作。宋飛[11]對數(shù)字信號處理在移動機器人領域中的應用進行了討論，他指出數(shù)字信號處理器控制機器人體系正常運行的基本原理是：機器人將收集到的周圍環(huán)境信息傳輸給上位計算機，并接收計算機傳達的信號，把收到的路徑軌跡操作指令轉化為脈沖信號，再嚴格把控步進電機，從而達到對移動機器人的運行進行把控的目的。在新型農機設備中，除草機器人擁有較高的作業(yè)水平，為了提高除草機器人視覺導航系統(tǒng)的精度以及實時處理圖像的效率，高霞[12]在設計視覺導航系統(tǒng)時加入了DSP圖像處理技術，并進行了仿真驗證試驗，利用Matlab將采集到的的圖像處理成CCS的數(shù)據文件，然后交給DSP處理器對它進行運算處理。經過計算，可以有效的識別出導航的位置線，同時擁有較高的精度，滿足了除草機器人的作業(yè)標準。

（五）數(shù)字信號處理在其他領域的應用

山東壽光巨能特鋼有限公司[13]將數(shù)字信號處理技術應用在冶煉廠軋機軸承的故障處理中，通過對軋機軸承及運行狀態(tài)進行信號采集、檢測、處理等操作，將軸承工作狀態(tài)的參數(shù)（如溫度、壓力、工作時間及振動等）轉化為數(shù)字信號，可以幫助工程師實時監(jiān)測軸承故障，有助于工廠能及時調修設備并保障工人安全及工作的正常進行。在對電機機械出現(xiàn)的故障進行診斷時，方法層出不窮，Diogo Aranha Ribeiro等人[14]研究出可以基于光學計算機的數(shù)字信號處理技術以及振動分析來對故障進行診斷的新方法，他們試驗的機械故障與軸承損壞有關，所以他們在測試中建立了所需的軸承損傷檢測試驗臺，對需要測量的信號進行了時域和頻域方面的分析，并且采用模式識別方法對軸承狀態(tài)進行了對照分類，即損傷與非損傷的分類。診斷結果顯示的故障與實際吻合，有望成為一種高效低成本的故障檢測方法。

三、數(shù)字信號處理的發(fā)展前景

在電子計算機、人工智能等科學技術快速發(fā)展的背景下，追求性能強、速度快、功耗低以及成本低是數(shù)字信號處理發(fā)展的大勢所趨。DSP可以與微處理器深度融合，將大大提升其運算處理能力，加快運行速度，同時也在一定程度上會降低成本和功耗。數(shù)字信號處理也可以與FPGA融合，能進一步提升寬帶信號處理的質量，提升其效率，以及處理數(shù)據的能力和速度。同時，基于DSP強大的處理能力，與SoC即芯片級系統(tǒng)融合后必定會使集成電路的性能上升一個臺階，系統(tǒng)功能可以得到大幅增加，數(shù)據處理速度也會有所提高，一塊集成板可以發(fā)揮兩個不同領域的作用，可以大大節(jié)省成本。

結語：創(chuàng)新是民族進步之魂，數(shù)字信號處理趕上了計算機信息發(fā)展的大勢，我國應該深度剖析數(shù)字信號處理的現(xiàn)狀，發(fā)揮主觀能動性，探索開發(fā)數(shù)字信號處理未來的發(fā)展動向，將其運用到能推動我國經濟發(fā)展的更多領域，幫助提升更多領域中與信號處理相關作業(yè)的效率，使現(xiàn)代數(shù)字化經濟發(fā)展的更快、更強。