【正文】 ，被稱為Vih和Vil，高于接收芯片的高電壓門限或低于接收芯片的低電壓門限的信號可以保證在任何情況下都能被收到。在該區(qū)域中，接收機(jī)可以判為高電平也可以被判為低電平。一組連接件被稱為一條總線。連接包括從發(fā)送信號的芯片到接收信號的芯片中的所有電通路。典型情況下，數(shù)字設(shè)計包含發(fā)送及接收一系列如圖1所示的梯形電壓信號，其中高電壓代表1低電壓代表0。值得注意的是本書中的所有內(nèi)容都曾成功應(yīng)用在現(xiàn)代設(shè)計中。問題是所需科目的參考書要么太抽象不能被數(shù)字設(shè)計師立即應(yīng)用，要么太實(shí)際以至于沒有包含能夠完整理解該學(xué)科所需的足夠理論。然而，因?yàn)樗柚R達(dá)不到，這個問題并沒有解決。這個事實(shí)導(dǎo)致了技術(shù)循環(huán)中大量的誤導(dǎo)信息。問題是，現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計需要以前不曾用到過的知識。事實(shí)上，它在技術(shù)公司的市場部門一直遵循以下信條：“當(dāng)一個市場調(diào)查告訴你公眾需要什么的時候，它往往已經(jīng)過時了”。數(shù)字技術(shù)是一項非常巨大的技術(shù)革命。數(shù)字設(shè)計要比模擬設(shè)計更加復(fù)雜。這些系統(tǒng)運(yùn)行在很高的頻率，在這些頻率上，導(dǎo)體表現(xiàn)得不再像一根簡單的導(dǎo)線，而是具有了高頻效應(yīng)，它像一根傳輸線一樣能夠從相鄰的器件上接收或傳輸信號。光從你的鼻子走到你的眼睛需要的時間是100皮秒（在100皮秒里，）。課文 B: 現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計1. 綜述光速已經(jīng)太慢了。第三，最后對于圖像質(zhì)量的判斷常通過人類的主觀評估而非客觀標(biāo)準(zhǔn)來判斷。例如，存儲一秒鐘的電視圖像需要10M的空間。首先，是在空間對參數(shù)的測量，而大多數(shù)信號是在時間上對參數(shù)的測量。通常，這種系統(tǒng)僅限于很少的幾百個單詞；僅能接受在單詞間具有明顯停頓的話音；對每個說話的人都需要重新學(xué)習(xí)。數(shù)字信號處理通常通過兩步解決話音識別的問題：特征抽取及特征匹配。有兩種計算機(jī)產(chǎn)生話音的方式：數(shù)字錄音或聲道仿真。不是用手和眼睛，而是用嘴和耳朵。具有幾百毫秒的延遲的回聲會讓人覺得像是大教堂一樣的環(huán)境，而加上1020毫秒延遲的回聲可以產(chǎn)生更加現(xiàn)代的聽覺感受。這就是為什么聽眾被音樂的回聲或回音深深影響著，而這些常在演播室中被最小化了。在音樂合成中DSP最有趣的一個應(yīng)用是人工回放。將單獨(dú)聲道的音樂合成為最終音樂的過程被稱為合成。有些情況下，這甚至包括分別錄制各個樂器及歌唱者的聲音。這與任何一個人將磁帶的聲音質(zhì)量與CD的聲音質(zhì)量進(jìn)行對比的結(jié)果是一樣的。（1） 音樂從音樂家的麥克風(fēng)到高保真音響之間的距離是相當(dāng)長的。人們可以聽到音樂和話音。2） 語音處理人類的兩個最基本的感觀是視覺和聽覺。同樣的技術(shù)還用于令使用話筒的人能邊聽邊說而不會覺得有回音。洲際通信的回聲間隔可達(dá)幾百毫秒，這是相當(dāng)讓人討厭的。人的耳朵習(xí)慣于收到這么短時間延遲的回聲，連接聽起來相當(dāng)正常。當(dāng)你對一個電話講話時，一個代表你聲音的信號會被傳輸?shù)剿B接的接收端，而其中的一部分會以回聲的形式返回。通常來說，這些算法可以使數(shù)據(jù)率從64kb/sec減少到32kb/s而不會導(dǎo)致話音質(zhì)量的損失。對應(yīng)的解壓縮算法用于將信息恢復(fù)成其原始形式。也就是說，由一個采樣攜帶的信息與其相鄰采樣在很大程度上是重復(fù)的。該技術(shù)稱為復(fù)用。相比較而言，DSP將音頻信號轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字信號流。直到20世紀(jì)60年代，兩個電話之間的連接還需要將模擬話音信號通過機(jī)械開關(guān)及放大器進(jìn)行傳送。只要按下很少的一些按鈕，交換網(wǎng)允許其中的一部與任何別的電話在幾秒之內(nèi)連接。這里將要討論來自電話網(wǎng)的三個特例：復(fù)用、壓縮及回聲控制。如果你想精通DSP，就需要同時學(xué)習(xí)相關(guān)的科學(xué)、工程及數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識。如圖2所示?，F(xiàn)在每年的銷售額在10億美元左右，并且看來會持續(xù)快速增長。主要的電子元件制造商都在DSP技術(shù)領(lǐng)域大量投資。如一個揚(yáng)聲器或一個視頻顯示。 空間：空間圖像增強(qiáng)；數(shù)據(jù)壓縮；通過空間探索進(jìn)行智能傳感分析 醫(yī)學(xué)：診斷圖像（CT，MRI，超聲波及其它）；心電圖分析；醫(yī)學(xué)圖像存儲/恢復(fù) 商業(yè)：多媒體展示的圖像和聲音壓縮；電影特效；視頻會議DSP 電話：語音及數(shù)據(jù)壓縮；去回聲；信號復(fù)用濾波 軍事：雷達(dá)；聲納；軍火指揮；安全通信 工業(yè)：石油和采礦預(yù)測；過程監(jiān)視/控制；非破壞性測試；CAD設(shè)計工具 科學(xué)：地震記錄及分析；數(shù)據(jù)采集；頻譜分析；仿真和建模圖1 DSP的應(yīng)用領(lǐng)域雖然DSP技術(shù)所依賴的一些數(shù)學(xué)理論，如傅立葉變換及希爾伯特變換、數(shù)字濾波器設(shè)計及信號壓縮等，可能相當(dāng)復(fù)雜，而實(shí)際中實(shí)現(xiàn)這些數(shù)字運(yùn)算的技術(shù)卻非常簡單，其包括的主要運(yùn)算可由一個廉價的具有加減乘除功能的四則運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)。DSP芯片每秒可以執(zhí)行上百萬次的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，像其它更廣為人知的通用微處理器一樣，更快更強(qiáng)大的DSP在不斷地出現(xiàn)。（這里要注意的是，DSP的縮寫可指數(shù)字信號處理，這個術(shù)語表示廣泛應(yīng)用的用于數(shù)字化地處理信號的技術(shù)，或者數(shù)字信號處理器，一種特殊的微處理芯片）。5. 數(shù)字信號處理器(DSPs)20世紀(jì)70年代后期及80年代前期微處理器的出現(xiàn)使得DSP技術(shù)在更廣泛的范圍內(nèi)應(yīng)用成為可能。DSP已在科學(xué)及工程的許多領(lǐng)域掀起了變革。否則，他們將在技術(shù)界落伍。DSP可以與以前的電子技術(shù)的發(fā)展相類比。在20世紀(jì)80年代早期，DSP是電子工程專業(yè)的研究生課程，10年后，DSP成為了本科生課表中的一部分。DSP通過在移動電話、CD播放器及語音郵件等產(chǎn)品中應(yīng)用進(jìn)入了公共應(yīng)用領(lǐng)域。與以往由軍方或政府的需求驅(qū)動不同，DSP突然間由商業(yè)市場的需求驅(qū)動了。先驅(qū)們的探索工作主要集中在4個關(guān)鍵領(lǐng)域：雷達(dá)和聲納，用于保衛(wèi)國家安全；石油開采，可以賺大量的錢；空間探索，其中的數(shù)據(jù)是不能重復(fù)產(chǎn)生的；及醫(yī)學(xué)圖像，可以救治生命。這些技術(shù)在當(dāng)時并沒有被廣泛應(yīng)用，因?yàn)橥ǔＶ挥性诖髮W(xué)或者其它的科研機(jī)構(gòu)才有合適的計算機(jī)。如今，對信號濾波以增加信號的質(zhì)量或抽取重要信息的任務(wù)越來越多地由DSP技術(shù)完成而不是采用模擬電路完成。信號也常會被來自于電源的電磁干擾所影響。例如，來自于傳感器的信號可能被一些沒用的電子“噪聲”污染。該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一系列二進(jìn)制數(shù)字作為數(shù)字輸出，其值代表每個采樣時刻的輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的電壓值。在應(yīng)用DSP技術(shù)之前，一個模擬信號必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。2. 模擬和數(shù)字信號在很多情況下，所感興趣的信號的初始形式是模擬電壓或電流，例如由麥克風(fēng)或其它轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的信號。DSP發(fā)展的廣度和深度的結(jié)合使得任何個人都不可能掌握已發(fā)展出的所有的DSP技術(shù)。數(shù)字信號處理已在通信、醫(yī)學(xué)圖像、雷達(dá)和聲納、高保真音樂產(chǎn)生、石油開采等很廣泛的領(lǐng)域內(nèi)引起了革命性的變革。對數(shù)字信號的處理通過數(shù)字運(yùn)算來完成。術(shù)語“digital”來源于“digit”，意思是數(shù)字（代可以用你的手指計數(shù)），因此“digital”的字面意思是“數(shù)字的，用數(shù)字表示的”，其法語是“numerique”。從歷史的角度來講，信號處理起源于電子工程，信號在這里意味著在電纜或電話線或者也有可能是在無線電波中傳輸?shù)碾娮有盘?。第一課 現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計及數(shù)字信號處理課文 A: 數(shù)字信號處理簡介1. 什么是數(shù)字信號處理？數(shù)字信號處理，或DSP，如其名稱所示，是采用數(shù)字方式對信號進(jìn)行處理。在這種情況下一個信號可以代表各種不同的東西。然而，更通用地說，一個信號是一個可代表任何東西從股票價格到來自于遠(yuǎn)程傳感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)的信息流。 一個數(shù)字信號由一串?dāng)?shù)字流組成，通常（但并非一定）是二進(jìn)制形式。數(shù)字信號處理是一個非常有用的技術(shù)，將會形成21世紀(jì)的新的科學(xué)技術(shù)。這些領(lǐng)域中的每一個都使得DSP技術(shù)得到深入發(fā)展，有該領(lǐng)域自己的算法、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，以及特殊的技術(shù)。DSP教育包括兩個任務(wù)：學(xué)習(xí)應(yīng)用數(shù)字信號處理的通用原則及學(xué)習(xí)你所感興趣的特定領(lǐng)域的數(shù)字信號處理技術(shù)。在有些情況下，例如從一個CD播放機(jī)的可讀系統(tǒng)中輸出的信號，信號本身就是數(shù)字的。例如，一個模擬電壓信號，可被一個稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器或ADC的電路變換成數(shù)字信號。3. 信號處理 通常信號需要以各種方式處理。測心電圖時放在病人胸部的電極能測量到當(dāng)心臟及其它肌肉活動時微小的電壓變化。采用濾波電路處理信號至少可以去掉不需要的信號部分。4. DSP的發(fā)展和應(yīng)用數(shù)字信號處理的發(fā)展起源于60年代大型數(shù)字計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理的應(yīng)用，如使用快速傅立葉變換（FFT）可以快速計算信號的頻譜。由于當(dāng)時計算機(jī)很貴，DSP僅僅局限于少量的非常重要的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代到90年代個人電腦的普及使得DSP產(chǎn)生了很多新的應(yīng)用。任何認(rèn)為自己能在這個飛速發(fā)展的領(lǐng)域賺錢的人都會立即成為DSP供應(yīng)商。這些技術(shù)革命是自上而下發(fā)生的。今天，DSP是很多領(lǐng)域的科學(xué)家及工程師需要掌握的標(biāo)準(zhǔn)技能。在電子工程領(lǐng)域，幾乎每個科學(xué)家和工程師都具有基本的電路設(shè)計背景。DSP的將來也會如此。其中的一些擴(kuò)展應(yīng)用如圖1所示。然而，通用的微處理芯片，如Intel的X86系列用于對數(shù)字敏感的DSP應(yīng)用并不理想，在20世紀(jì)80年代，DSP變得越來越重要，這導(dǎo)致了很多主要的電子元件制造商（如德州儀器, ADI及摩托羅拉等）開始重視開發(fā)數(shù)字信號處理器芯片—一種專用的微處理器，具有專為數(shù)字信號處理需求操作而設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。與通用的微處理芯片一樣，一個DSP是一個可編程設(shè)備，具有私有的指令碼。DSPs可以被嵌入到其它通常包括模擬和數(shù)字電路的復(fù)雜片上系統(tǒng)設(shè)備中。DSP芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得這些運(yùn)算的速度快得不可思議，每秒鐘可處理上億次的采樣值，從而具有實(shí)時性：也就是說，當(dāng)其處理一個信號時，使之像剛剛采樣并輸出一樣具有實(shí)時性。以前所提到的所有的DSP的應(yīng)用實(shí)例，如硬盤驅(qū)動器和移動電話，都需要實(shí)時操作。因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)在具有大規(guī)模市場的應(yīng)用產(chǎn)品中，DSP芯片在全世界電子設(shè)備中占了很大的比例。6. DSP的深度如同你從每個應(yīng)用中所注意到的一樣，DSP是非常交叉的學(xué)科，依賴于許多相鄰領(lǐng)域的技術(shù)工作。DSP與其它技術(shù)學(xué)科之間的邊界不是非常精確或明確定義的，而是非常模糊或相互重疊的。7. DSP影響的領(lǐng)域1）電信DSP在很多領(lǐng)域?qū)﹄娦殴I(yè)具有革命性的影響：信號音調(diào)的產(chǎn)生和檢測、頻帶搬移、濾波以去除電源噪聲等。(1) 復(fù)用 世界上大約有10億部電話。這項工作的復(fù)雜性是人腦所不能想象的。一個連接需要一對線。由于比特流可以很容易地被混放在一起并且事后可以分開，因此，許多路話音可以在一條信道上傳輸。(2) 壓縮 當(dāng)以8000個采樣值/秒的速度對一個話音信號進(jìn)行數(shù)字化時，大多數(shù)的數(shù)字信息是冗余的。很多DSP算法用于將數(shù)字化的語音轉(zhuǎn)換成需要較少的bits/sec的數(shù)據(jù)流，這稱為數(shù)據(jù)壓縮算法。這些算法根據(jù)壓縮比及最后的話音質(zhì)量來區(qū)分優(yōu)劣。(3) 回聲控制 回聲是長距離電話連接中的一個嚴(yán)重的問題。如果連接只有幾百米，收到回音的時間間隔僅有幾毫秒。當(dāng)距離增大時，回聲會變得非常惹人注意并且讓人無法忍受。數(shù)字信號處理技術(shù)通過測量返回信號，并產(chǎn)生一個相應(yīng)的相反信號以抵消這些令人討厭的回聲來處理這類問題。這也可用于通過產(chǎn)生數(shù)字相反噪音來減少環(huán)境噪音。相應(yīng)地，許多DSP是與圖像及聲音處理有關(guān)的。DSP在這兩個領(lǐng)域都曾帶來革命性的變化。用數(shù)字信號代表數(shù)據(jù)是很重要的，目的是防止模擬話音存儲及處理中常有的話音衰退現(xiàn)象。一個典型的場景是，一段音樂在錄音棚中是通過不同的聲道進(jìn)行錄制的。這樣做的目的是給聲音工程師以極大的靈活性去制作最后的產(chǎn)品。DSP在音樂合成中可以提供多種重要功能，包括:濾波、信號附加及截斷、信號編輯等。如果各個信道僅僅是簡單地疊加在一起，最后聽到的音樂是脆弱無力的，就如同音樂家在門外演奏一樣。DSP使得人工回聲在混合過程中被加到音樂中以仿真不同的聽覺環(huán)境。（2） 話音產(chǎn)生話音產(chǎn)生和識別用于人和機(jī)器之間的通信。當(dāng)你的手和眼睛需要做別的如開車，進(jìn)行外科手術(shù)或?qū)橙碎_槍等事情時，這項技術(shù)將給你帶來極大的方便。（3） 語音識別 對人類聲音的自動識別要比話音產(chǎn)生難得多。來自于音頻信號的每個單詞都被隔離開并與先前所輸?shù)膯卧~相比較以確認(rèn)與那個最接近。8. 圖像處理圖像是具有特殊特點(diǎn)的信號。其次，圖像包含了大量的信息。這要比同樣長度的話音信號大1000倍。這些特殊的特點(diǎn)使得圖像處理成為DSP中非常獨(dú)特的一個子集。通常情況下，大量生產(chǎn)的現(xiàn)代數(shù)字設(shè)計需要將時隙控制到皮秒級。這種時隙不僅要維持在硅芯片級別，而且要維持在物理形態(tài)上要大得多的系統(tǒng)板上，如計算機(jī)母板上。如果這些導(dǎo)線處理不當(dāng)，它們將會無意地毀壞系統(tǒng)時序。而且不止于此。它有一個持續(xù)的范例轉(zhuǎn)變，工業(yè)革命，及快速變化的不平行發(fā)展的過程。這種快速發(fā)展阻礙了技術(shù)進(jìn)步，本書將要解決這個問題。然而，許多當(dāng)前的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計師不具有現(xiàn)代高速設(shè)計所需要的知識。通常，人們認(rèn)為高速設(shè)計的概念很神秘。事實(shí)上，許多相同的概念在電子工程的其它學(xué)科如無線頻率設(shè)計及微波設(shè)計中已經(jīng)使用了好幾十年了。該書將著眼于數(shù)字設(shè)計領(lǐng)域，解釋所需的概念以便于工程師或?qū)W生去理解、解決當(dāng)前乃至將來可能遇到的問題。2. 基礎(chǔ)如同讀者所知，數(shù)字設(shè)計的基本概念是用1或0代表信號傳輸信息。攜帶數(shù)字信號的傳輸路徑是相互連通的。這包括芯片包、連接件、插座及無數(shù)個附加結(jié)構(gòu)。一個由數(shù)字接收機(jī)區(qū)分高電壓和低電壓的電壓范圍被稱為門限區(qū)域。在芯片上，實(shí)際的開關(guān)電壓隨著溫度、電壓、芯片處理過程及其它參數(shù)變化而變化。因此為了保證數(shù)據(jù)的完整性，系統(tǒng)設(shè)計者必須保證在任何條件下，所發(fā)送的高電壓不能——甚至是一小會兒的時間，低于Vih，低電壓必須一直低于Vil。這意味著數(shù)字信號的上升或下降時間必須越短越好。實(shí)際中，幾百皮秒的邊沿速率是可以達(dá)到的。每個導(dǎo)體都有電容，電感及與頻率有關(guān)的電阻。因此一根導(dǎo)線將不再是一個導(dǎo)線，而是一個具有延遲和傳輸阻抗的分布式寄生元件，表現(xiàn)在從一個芯片到接收芯片的過程中就是傳輸?shù)牟ㄐ沃芯哂行盘柵で岸虝r脈沖干擾噪聲。一個信號不完全存在于導(dǎo)體本身中，而是當(dāng)前所有的磁場和電場的合成。更進(jìn)一步說，在高頻時同一個連接的不同部分之間如包、連接件及彎曲之間都會存在復(fù)雜的相互影響。這確實(shí)給了設(shè)計者一個全新的高速邏輯設(shè)計視圖。這些特性也決定著系統(tǒng)會將多少能量輻射至空氣中，并可以此判斷該系統(tǒng)是否符合官方的輻射要求。當(dāng)一個導(dǎo)體必須被看作為一個分布式的電感和電容時，它就被稱為是一個傳輸線。在數(shù)字設(shè)計領(lǐng)域，由于邊沿速率決定著所含信號的最大頻率，你可以比較信號上升沿及下降沿時間與電路板大小的關(guān)系，如同圖2所示。因此一個500皮秒的邊沿速率占據(jù)的電路