【正文】 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )外文資料翻譯 專 業(yè)： 自動化 姓 名： 學 號： 外文題目： The Breadth and Depth of DSP 外文出處： The Scientist and Engineer39。s Guide to DSP 1 DSP 的廣度和深度 數(shù)字信號處理是最強大的技術(shù)，將塑造二十一世紀的科學與工程之一。革命性的變化已經(jīng)在廣泛的領(lǐng)域：通信，醫(yī)療成像，雷達和聲納，高保 真音樂再現(xiàn)，石油勘探，僅舉幾例。上述各領(lǐng)域已建立了深厚的 DSP 技術(shù)，用自己的算法，數(shù)學，和專門技術(shù)。這種呼吸和深度的結(jié)合，使得它不可能為任何一個人掌握所有已開發(fā)的 DSP 技術(shù)。 DSP 教育包含兩個任務(wù)：學習一般適用于作為一個整體領(lǐng)域的概念，并學習您感興趣的特定領(lǐng)域的專門技術(shù)。本章開始描述 DSP 已在幾個不同領(lǐng)域的戲劇性效果的數(shù)字信號處理的世界，我們的旅程。革命已經(jīng)開始。 DSP 的根源 獨特的數(shù)據(jù)類型，它使用的信號，數(shù)字信號處理是區(qū)別于其他計算機科學領(lǐng)域。在大多數(shù)情況下，這些信號源于感覺來自現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù) ：地震的震動，視覺圖像，聲波等 DSP 是數(shù)學，算法，并用來操縱這些信號的技術(shù)后，他們已被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。這包括了各種目標，如：加強視覺圖像識別和語音生成，存儲和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)壓縮，等假設(shè)我們重視計算機模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并用它來獲得一個現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)塊。 DSP 回答了這個問題：下一步怎么辦？ DSP 的根是在 20 世紀 60 年代和 70 年代數(shù)字計算機時首次面世。電腦是昂貴的，在這個時代， DSP 是有限的，只有少數(shù)關(guān)鍵應(yīng)用。努力開拓，在四個關(guān)鍵領(lǐng)域：雷達和聲納，國家安全風險是石油勘探，可以大量資金 。太空探索，其中的數(shù)據(jù) 是不可替代的 。和醫(yī)療成像，可節(jié)省生活。 20 世紀 80 年代和 90 年代的個人電腦革命，引起新的應(yīng)用 DSP 的爆炸。而不是由軍方和政府的需求動機，DSP 的突然被帶動的商業(yè)市場。任何人士如認為他們可以使資金在迅速擴大的領(lǐng)域突然一個 DSP 供應(yīng)商。 DSP 的市民等產(chǎn)品達到：移動電話機，光盤播放器，電子語音郵件。 這一技術(shù)革命，從自上而下的發(fā)生。在 20 世紀 80 年代初， DSP 是研究生水平的課程，在電氣工程教授。十年后， DSP 已成為標準的本科課程的一部分。今天， DSP 是一種在許多領(lǐng)域的科學家和工程師所需要的基本技能。作為一個比 喻，DSP 可以比以前的技術(shù)革命：電子。雖然仍是電氣工程領(lǐng)域，幾乎所有的科學家和工程師有一些基本的電路設(shè)計的背景。沒有它，他們將失去在科技世界。 DSP具有相同的未來。 這最近的歷史是超過了好奇，它有一個巨大的影響你的學習能力和使用DSP。假設(shè)你遇到一個 DSP 的問題，并把課本或其他出版物，以找到一個解決方案。你通常會發(fā)現(xiàn)什么是頁后頁方程，模糊的數(shù)學符號，不熟悉的術(shù)語。這是一場惡夢！ DSP 的文獻多是令人費解，甚至在該領(lǐng)域經(jīng)驗豐富的。這并不是說有什么錯用這種材料，它只是一個非常特殊的觀眾。國家的最先進的研究人員 需要這種詳細的數(shù)學理解的工作的理論意義。 這本書的一個基本前提是，可以學到最實用的 DSP 技術(shù)，并沒有詳細的數(shù)學和理論的傳統(tǒng)障礙?？茖W家和工程師的數(shù)字信號處理指南是寫給那些想要使用DSP 作為一種工具，而不是一個新的職業(yè)生涯。 本章的其余部分說明，其中 DSP 已經(jīng)產(chǎn)生了革命性的變化的地區(qū)。當你通過每個應(yīng)用程序，請注意， DSP 是非?？鐚W科，依托在許多相鄰領(lǐng)域的技術(shù)工作。正如圖。如果你想專注于 DSP，這是多領(lǐng)域 ，則還需要研究。 通信 通信 是信息傳輸從一個位置到另一個。這包括各種形式的信息：電話交談，電視信號， 計算機中的文件，和其他類型的數(shù)據(jù)。傳輸信息，你需要在兩個地點之間的通道。這可能是一個線對無線電信號，光纖等電信公司接收他們的客戶的信息轉(zhuǎn)移支付，而他們一定要以建立和維護渠道。金融的底線很簡單：信息越多，他們可以通過一個單一的通道，他們更多的錢。 DSP 已徹底改變電信業(yè)在許多領(lǐng)域：信號音的產(chǎn)生和檢測，頻帶的轉(zhuǎn)移，過濾，除去電源線的嗡嗡聲，從電話網(wǎng)絡(luò)等具體的例子將在這里討論：復(fù)用，壓縮和回聲控制。 復(fù)用 在世界上大約有 10 億電話。在按幾個按鈕，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)允許其中任何一項，只有幾秒鐘的任何其他連接。這項 任務(wù)的艱巨，是超乎想象！直到 20 世紀 60年代，兩個電話之間的連接需要通過機械開關(guān)和放大器的模擬語音信號。一個連接需要一對導(dǎo)線。相比之下， DSP 音頻信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字數(shù)據(jù)流。由于位可以輕松地交織在一起，后來分開，很多電話交談可以傳輸渠道單一。例如，一個電話標準，被稱為 T 載波系 統(tǒng)可以同時傳送 24 個語音信號。每個語音信號進行采樣，每秒 8000 次，使用一個 8 位 集成 的（對數(shù)壓縮）模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。這個結(jié)果在 64,000 比特 /秒，所有 24 個被包含在 兆比特 /秒的渠道代表每個語音信號。這個信號可以傳輸，使用普 通電話線， 22 號銅線，一個典型的互連距離約 6000 英尺。數(shù)字傳輸?shù)馁Y金優(yōu)勢是巨大的。線和模擬開關(guān)是昂貴的數(shù)字邏輯門價格便宜。 壓縮 當語音信號數(shù)字化，在 8000 樣本 /秒，大多數(shù)的數(shù)字信息是多余的。也就是說，任何一個樣本進行信息主要由鄰近的樣品重復(fù)。 DSP 算法已發(fā)展到幾十個數(shù)字化語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)流，需要較少的比特 /秒。這些被稱為數(shù)據(jù)壓縮算法。匹配解壓縮算法，用于恢復(fù)其原來的形式的信號。這些算法不同的金額達到壓縮和音質(zhì)。在一般情況下，減少 64 千比特 /秒的數(shù)據(jù)傳輸速率為 32 千比特 /秒的結(jié)果，在不損 失音質(zhì)。當壓縮到 8 千比特 /秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，聲音明顯受到影響，但仍然可用的長途電話網(wǎng)絡(luò)。達到的最高壓縮約 2 千比特 /秒，高度扭曲的聲音，但可用于某些應(yīng)用，如軍事和海底通信。 回聲 控制回聲是一個嚴重的問題，在長途電話連接。當你走進一個電話，你的聲音信號傳播連接的接收器，它的一部分返回的回聲。如果連接是幾百公里內(nèi)，接收回聲所用的時間只有幾毫秒。人類的耳朵習慣于聽到這些小的時間延遲的回聲，連接聽起來很正常。隨著距離變大，回聲變得越來越明顯和刺激性。延遲是幾百毫秒洲際通信，特別是反感。數(shù)字信號處理攻擊這 類型的問題，通過測量返回信號，并產(chǎn)生適當?shù)?反信號 取消違規(guī)回聲。同樣的技術(shù)，允許免提電話用戶聽取和不戰(zhàn)而音頻反饋（嘯）在同一時間發(fā)言。它也可用于減少環(huán)境噪聲，取消它與數(shù)字產(chǎn)生抗噪。 音頻處理 主要的兩個人的感官是視覺和聽覺。相應(yīng)地，許多 DSP 的有關(guān)圖像和音頻處理。人們聽音樂和語音。 DSP 已經(jīng)在這兩個領(lǐng)域取得了革命性的變化。 音樂 從音樂家的麥克風，高保真的揚聲器的路徑是相當長。數(shù)字數(shù)據(jù)表示，重要的是要防止通常與模擬存儲和操作相關(guān)的退化。這是非常熟悉的人與光盤，錄音帶的音樂素質(zhì)。在一個典型 的場景，音樂作品在多個頻道或曲目的錄音室錄制。在某些情況下，這甚至涉及個別樂器和歌手分別記錄。這樣做是為了給錄音師更大的靈活性，創(chuàng)造的最終產(chǎn)品。被稱為復(fù)雜的過程，結(jié)合到最終產(chǎn)品的個別曲目的縮混。 DSP 可以在組合提供幾個重要的功能，包括：過濾，加法和減法信號，信號的編輯，等等。 最有趣的音樂準備的 DSP 應(yīng)用之一是人工混響。如果各個渠道的簡單相加，導(dǎo)致一塊聽起來體弱及攤薄，音樂家多，如果在戶外玩耍。這是因為聽眾都深受影響的音樂，通常是在錄音室最小的回聲或混響內(nèi)容。 DSP 允許人造回聲和混響加在混合模擬各種理想 的聽音環(huán)境。幾百毫秒延遲的回聲，給像位置的大教堂的印象。 1020 毫秒的延遲添加回聲提供更多的適度規(guī)模聆聽室的看法。 語音生成 語音生成和識別被用于人類和機器之間的溝通。而不是用你的雙手和眼睛，你用你的嘴和耳朵。當你的手和眼睛應(yīng)做別的東西，如：駕駛汽車，進行手術(shù)，或不幸敵人發(fā)射你的武器，這是非常方便。兩種方法用于計算機生成的講話：數(shù)碼錄音和聲道模擬。在數(shù)碼錄音，一個人的揚聲器的聲音數(shù)字化處理和儲存，通常在壓縮形式。在播放過程中，存儲的數(shù)據(jù)壓縮和轉(zhuǎn)換成模擬信號。整個小時的錄音講話要求只有約 3 兆字 節(jié)的存儲空間，即使是小規(guī)模的計算機系統(tǒng)內(nèi)的功能。這是今天使用的數(shù)字語音代最常用的方法。 聲道模擬器比較復(fù)雜，試圖模仿人類創(chuàng)造講話的物理機制。人類聲道是聲腔與商會的大小和形狀確定的共振頻率。聲音源于聲道聲和摩擦音，在兩種基本方式之一。濁音，聲帶振動產(chǎn)生周期脈沖附近的空氣進入聲樂腔。相比之下，摩擦音源于在嘈雜的空氣湍流，如牙齒和嘴唇，窄縊。聲道模擬器操作產(chǎn)生類似于激發(fā)這兩種類型的數(shù)字信號。共鳴腔的特點是通過類似共振的激勵信號，通過數(shù)字濾波器的模擬。這種方法是在一個非常早期的 DSP 成功故事，講拼寫，廣泛銷售的 兒童電子學習援助。 語音識別 人類語音的自動識別是非常多講話一代困難。語音識別是一個經(jīng)典的東西，人類的大腦好例子，但數(shù)碼電腦做的很差。數(shù)碼電腦可以存儲和調(diào)用大量數(shù)據(jù)，在熾烈速度執(zhí)行數(shù)學計算，并沒有變得無聊或低效重復(fù)的任務(wù)。不幸的是，現(xiàn)今電腦執(zhí)行得非常糟糕時，面臨著與原始的感官數(shù)據(jù)。教學計算機發(fā)送給您每月的電費是很容易的。在同一臺計算機教學，以了解你的聲音，是一大創(chuàng)舉。 數(shù)字信號處理一般接近語音識別的問題，在兩個步驟：特征提取，特征匹配。傳入的 音頻信號中的每個單詞是孤立的，然后分析激發(fā)和共鳴頻 率識別的類型。這些參數(shù)與前面的例子中，找出最接近的說話。通常情況下，這些系統(tǒng)只有幾百字的限制，只能接受具有鮮明的字與字之間的停頓的講話，以及必須為各揚聲器培訓。雖然這是許多商業(yè)應(yīng)用提供足夠的，這些限制是震撼人心相比，人類的聽覺能力。有巨大的財政獎勵那些生產(chǎn)成功的商業(yè)產(chǎn)品，要在這方面做的大量工作。 回聲定位 一個常用的方法是獲得遠程對象的信息，超生波的關(guān)閉。例如，雷達通過發(fā)射無線 電波脈沖，并從飛機回聲檢查接收到的信號。聲納，通過水傳播的聲波探測潛艇和其他水下物體。地球物理學家已經(jīng)長探測地球所設(shè)置的爆炸 和聽回聲從巖石層深埋。雖然這些應(yīng)用都有一個共同的線程，每個人都有自己的具體問題和需求。數(shù)字信號處理，在所有這三個領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的變化。 雷達 雷達是無線電探測和測距的縮寫。在最簡單的雷達系統(tǒng)，無線電發(fā)射機產(chǎn)生的無線電頻率能量的脈沖長幾微秒。此脈沖被送入一個高度定向天線，以光的速度在產(chǎn)生的無線電波傳播距離。飛機在這一波的路徑將反映能源回向接收天 線的一小部分，位于附近的傳輸站點。脈沖傳輸和 接收到的回波之間的運行時間從計算到物體的距離。發(fā)現(xiàn)對象的方向更簡單地說，你知道你指出的定向天線時收到回音。 經(jīng)營范圍的雷達系統(tǒng)是由兩個參數(shù)決定：多少能源是在初始脈沖，無線電接收機的噪聲水平。不幸的是，增加脈沖能量通常需要較長的脈搏。反過來，在較長的脈沖減少經(jīng)過時間的測量準確度和精密度。這兩個重要參數(shù)之間的沖突結(jié)果：能夠在遠距離探測的對象，并能準確地判斷一個對象的距離。 DSP 具有革命性的雷達三個方面，所有這些都涉及到這個基本問題。首先，DSP 可以壓縮后收到的脈沖，提供更好的距離決心，沒有減少的經(jīng)營范圍。其次，DSP 可以過濾接收到的信號，以減少噪音。這擴大了范圍，不降解的距離的決心。第三， DSP 能夠快速選擇不同的脈 沖形狀和長度和發(fā)電。除其他事項外，這使得脈沖為一個特定的檢測問題進行了優(yōu)化?，F(xiàn)在這么多令人印象深刻的部分：是在采樣率可比使用的無線電頻率，高達幾百兆赫的！當談到雷達， DSP 硬件設(shè)計高速，因為它是算法。 聲納 聲納是一個聲音導(dǎo)航和測距的縮寫。它分為兩大類，主動和被動。在主動聲納，聲脈沖在 2 kHz 和 40 kHz 之間傳送入水，和由此產(chǎn)生的回聲的檢測和分析。主動聲納的用途包括：海底機構(gòu)的檢測與定位，導(dǎo)航，通信，測繪海底。 10 至100 公里的一個最大的經(jīng)營范圍是典型的。相比之下，被動聲納根本監(jiān)聽水下聲音 ，其中包括：自然動蕩，海洋生物，從潛艇和水面艦艇的機械聲音。由于被動聲納發(fā)出能量，它是秘密行動的理想選擇。你要檢測的其他人，沒有他偵測你。被動聲納最重要的應(yīng)用是在軍事監(jiān)視系統(tǒng)，探測和跟蹤潛艇。被動聲納通常使用較低的頻率比主動聲納，因為他們通過吸收少水傳播。檢測范圍可以是數(shù)千公里。 DSP 已徹底改變了許多在同一地區(qū)的雷達聲納：脈沖發(fā)生器，脈沖壓縮，過濾檢測到的信號。有一種觀點認為，聲納比雷達簡單，因為涉及頻率較低。另一種觀點認為，聲納是比雷達更困難，因為環(huán)境是少得多的統(tǒng)一和穩(wěn)定。聲納系統(tǒng)通常采用的發(fā)送和接收的 元素，而不僅僅是一個單一渠道廣泛的陣列。通過適當控制和混合信號，在這些眾多的元素，可以避開聲納系統(tǒng)發(fā)射脈沖到所需的位置，并確定回聲收到的方向。為了處理這些多渠道，聲納系統(tǒng)需要作為雷達的同樣龐大的運算能力。 反射地震 早在 20 世紀 20 年代，地球物理學家發(fā)現(xiàn)，聲音探測地殼結(jié)構(gòu)可以。勘探者可能掀起爆炸和記錄邊界層超過地表以下 10 公里的回聲。這些回聲地震解釋由原始的眼睛映射地下結(jié)構(gòu)。地震反射法迅速成為主要方法，為尋找石油和礦藏，今天依然如此。 在理想的情況下，到地面發(fā)出的聲音脈沖產(chǎn)生一個單脈沖穿過每個邊 界層的回波。不幸的是，情況通常不是這么簡單。每個回波返回到表面，必須通過所有其他邊界層以上，它起源。這可能會導(dǎo)致在層與層之間的彈跳回聲，從而導(dǎo)致在表面上被檢測的回聲的回聲。這些二次相呼應(yīng)，可以檢測到