2020年新编信息与通信工程专业英语(第2版)-韩定定-李明明名师精品资料

第一课现代数字设计及数字信号处理

课文 A: 数字信号处理简介

1. 什么是数字信号处理？

数字信号处理，或DSP，如其名称所示，是采用数字方式对信号进行处理。在这种情况下一个信号可以代表各种不同的东西。从历史的角度来讲，信号处理起源于电子工程，信号在这里意味着在电缆或电话线或者也有可能是在无线电波中传输的电子信号。然而，更通用地说，一个信号是一个可代表任何东西--从股票价格到来自于远程传感卫星的数据的信息流。术语“ digital ”来源于“ digit ”，意思是数字（代可以用你的手指计数），因此“ digital ” 的字面意思是“数字的，用数字表示的” ，其法语是“ numerique ”。一个数字信号由一串数字流组成，通常（但并非一定）是二进制形式。对数字信号的处理通过数字运算来完成。

数字信号处理是一个非常有用的技术，将会形成21 世纪的新的科学技术。数字信号处

理已在通信、医学图像、雷达和声纳、高保真音乐产生、石油开采等很广泛的领域内引起了革命性的变革。这些领域中的每一个都使得DSP技术得到深入发展，有该领域自己的算法、

数学基础，以及特殊的技术。DSP发展的广度和深度的结合使得任何个人都不可能掌握已发

展出的所有的DSP技术。DSP教育包括两个任务：学习应用数字信号处理的通用原则及学习你所感兴趣的特定领域的数字信号处理技术。

2. 模拟和数字信号

在很多情况下，所感兴趣的信号的初始形式是模拟电压或电流，例如由麦克风或其它转换器产生的信号。在有些情况下，例如从一个CD 播放机的可读系统中输出的信号，信号本身就是数字的。在应用DSP 技术之前，一个模拟信号必须转换成数字信号。例如，一个模拟电压信号，可被一个称为模数转换器或ADC 的电路变换成数字信号。该转换器产生一系列二进制数字作为数字输出，其值代表每个采样时刻的输入模数转换设备的电压值。

3. 信号处理

通常信号需要以各种方式处理。例如，来自于传感器的信号可能被一些没用的电子“噪声”污染。测心电图时放在病人胸部的电极能测量到当心脏及其它肌肉活动时微小的电压变

化。信号也常会被来自于电源的电磁干扰所影响。采用滤波电路处理信号至少可以去掉不需要的信号部分。如今，对信号滤波以增加信号的质量或抽取重要信息的任务越来越多地由DSP技术完成而不是采用模拟电路完成。

4. DSP的发展和应用

数字信号处理的发展起源于60 年代大型数字计算机进行数字处理的应用，如使用快速傅立叶变换（FFT）可以快速计算信号的频谱。这些技术在当时并没有被广泛应用，因为通常只有在大学或者其它的科研机构才有合适的计算机。

由于当时计算机很贵，DSP仅仅局限于少量的非常重要的应用。先驱们的探索工作主要集中在4 个关键领域：雷达和声纳，用于保卫国家安全；石油开采，可以赚大量的钱；空间探索，其中的数据是不能重复产生的；及医学图像，可以救治生命。

20 世纪80 年代到90 年代个人电脑的普及使得DSP产生了很多新的应用。与以往由军

方或政府的需求驱动不同，DSP突然间由商业市场的需求驱动了。任何认为自己能在这个飞

速发展的领域赚钱的人都会立即成为DSP供应商。DSP通过在移动电话、CD 播放器及语音邮件等产品中应用进入了公共应用领域。

这些技术革命是自上而下发生的。在20世纪80 年代早期，DSP是电子工程专业的研究生课程，10 年后，DSP成为了本科生课表中的一部分。今天，DSP是很多领域的科学家及工程师需要掌握的标准技能。DSP可以与以前的电子技术的发展相类比。在电子工程领域，几乎每个科学家和工程师都具有基本的电路设计背景。否则，他们将在技术界落伍。DSP的将来也会如此。DSP已在科学及工程的许多领域掀起了变革。其中的一些扩展应用如图1 所示。

5. 数字信号处理器（DSPs）

20 世纪70 年代后期及80 年代前期微处理器的出现使得DSP技术在更广泛的范围内应用成为可能。然而，通用的微处理芯片，如Intel 的X86 系列用于对数字敏感的DSP应用并

不理想，在20 世纪80 年代，DSP变得越来越重要，这导致了很多主要的电子元件制造商（如德州仪器, ADI 及摩托罗拉等）开始重视开发数字信号处理器芯片—一种专用的微处理器，具有专为数字信号处理需求操作而设计的系统结构。（这里要注意的是，DSP 的缩写可指数字信号处理，这个术语表示广泛应用的用于数字化地处理信号的技术，或者数字信号处理器，

一种特殊的微处理芯片）。与通用的微处理芯片一样，一个DSP是一个可编程设备，具有私

有的指令码。DSP芯片每秒可以执行上百万次的浮点数运算，像其它更广为人知的通用微处

理器一样，更快更强大的DSP在不断地出现。DSPs可以被嵌入到其它通常包括模拟和数字电路的复杂片上系统设备中。

空间：空间图像增强；数据压缩；通过空间探索进行智能传感分析

医学：诊断图像（CT，MRI，超声波及其它）；心电图分析；医学图像存储/ 恢

复商业：多媒体展示的图像和声音压缩；电影特效；视频会议

DSP 电话：语音及数据压缩；去回声；信号复用滤波

军事：雷达；声纳；军火指挥；安全通信

工业：石油和采矿预测；过程监视/控制；非破坏性测试；CAD 设计工具

科学：地震记录及分析；数据采集；频谱分析；仿真和建模

图 1 DSP的应用领域

虽然DSP 技术所依赖的一些数学理论，如傅立叶变换及希尔伯特变换、数字滤波器设计及信号压缩等，可能相当复杂，而实际中实现这些数字运算的技术却非常简单，其包括的主要运算可由一个廉价的具有加减乘除功能的四则运算器实现。DSP芯片的结构设计使得这

些运算的速度快得不可思议，每秒钟可处理上亿次的采样值，从而具有实时性：也就是说，当其处理一个信号时，使之像刚刚采样并输出一样具有实时性。如一个扬声器或一个视频显示。以前所提到的所有的DSP的应用实例，如硬盘驱动器和移动电话，都需要实时操作。

主要的电子元件制造商都在DSP 技术领域大量投资。因为他们发现在具有大规模市场的应用产品中，DSP 芯片在全世界电子设备中占了很大的比例。现在每年的销售额在10 亿美元左右，并且看来会持续快速增长。

6. DSP的深度

如同你从每个应用中所注意到的一样，DSP是非常交叉的学科，依赖于许多相邻领域的技术工作。如图2 所示。DSP与其它技术学科之间的边界不是非常精确或明确定义的，而是非常模糊或相互重叠的。如果你想精通DSP，就需要同时学习相关的科学、工程及数学领域的知识。

7. DSP 影响的领域 1)电信

DSP 在很多领域对电信工业具有革命性的影响：信号音调的产生和检测、频带搬移、滤 波

以去除电源噪声等。这里将要讨论来自电话网的三个特例：复用、压缩及回声控制。 (1) 复用

世界上大约有 10 亿部电话。只要按下很少的一些按钮，交换网允许其中的一部与任何 别的电话在几秒之内连接。这项工作的复杂性是人脑所不能想象的。直到 20 世纪 60 年代， 两个电话之间的连接还需要将模拟话音信号通过机械开关及放大器进行传送。 一个连接需要 一对线。相比较而言， DSP 将音频信号转换成一串数字信号流。由于比特流可以很容易地被 混放在一起并且事后可以分开， 因此，许多路话音可以在一条信道上传输。 该技术称为复用。

(2) 压缩

当以 8000 个采样值 / 秒的速度对一个话音信号进行数字化时， 大多数的数字信息是冗

余 的。也就是说，由一个采样携带的信息与其相邻采样在很大程度上是重复的。很多 DSP 算 法用于将数字化的语音转换成需要较少的 解压缩算法用于将信息恢复成其原始形式。 劣。通常来说，这些算法可以使数据率从 失。

(3) 回声控制

回声是长距离电话连接中的一个严重的问题。 当你对一个电话讲话时， 一个代表你声音

的信号会被传输到所连接的接收端， 而其中的一部分会以回声的形式返回。 如果连接只有几 百米， 收到回音的时间间隔仅有几毫秒。 人的耳朵习惯于收到这么短时间延迟的回声， 连接 听起来相当正常。 当距离增大时， 回声会变得非常惹人注意并且让人无法忍受。 洲际通信的 回声间隔可达几百毫秒， 这是相当让人讨厌的。 数字信号处理技术通过测量返回信号， 并产 生一个相应的相反信号以抵消这些令人讨厌的回声来处理这类问题。 同样的技术还用于令使 用话筒的人能边听边说而不会觉得有回音。 这也可用于通过产生数字相反噪音来减少环境噪 音。

2） 语音处理

bits/sec 的数据流，这称为数据压缩算法。对应的 这些算法根据压缩比及最后的话音质量来区分优 64kb/sec 减少到 32kb/s 而不会导致话图 2. 数字信号处理与其它领域具有模糊及

重叠的边界

人类的两个最基本的感观是视觉和听觉。相应地，许多DSP 是与图像及声音处理有关的。人们可以听到音乐和话音。DSP在这两个领域都曾带来革命性的变化。

（1）音乐

从音乐家的麦克风到高保真音响之间的距离是相当长的。用数字信号代表数据是很重要的，目的是防止模拟话音存储及处理中常有的话音衰退现象。这与任何一个人将磁带的声音质量与CD 的声音质量进行对比的结果是一样的。一个典型的场景是，一段音乐在录音棚中是通过不同的声道进行录制的。有些情况下，这甚至包括分别录制各个乐器及歌唱者的声音。这样做的目的是给声音工程师以极大的灵活性去制作最后的产品。将单独声道的音乐合成为最终音乐的过程被称为合成。DSP 在音乐合成中可以提供多种重要功能，包括:滤波、信号附加及截断、信号编辑等。

在音乐合成中DSP 最有趣的一个应用是人工回放。如果各个信道仅仅是简单地叠加在一起，最后听到的音乐是脆弱无力的，就如同音乐家在门外演奏一样。这就是为什么听众被音乐的回声或回音深深影响着，而这些常在演播室中被最小化了。DSP使得人工回声在混合过程中被加到音乐中以仿真不同的听觉环境。具有几百毫秒的延迟的回声会让人觉得像是大教堂一样的环境，而加上10-20 毫秒延迟的回声可以产生更加现代的听觉感受。

（2）话音产生

话音产生和识别用于人和机器之间的通信。不是用手和眼睛，而是用嘴和耳朵。当你的手和眼睛需要做别的如开车，进行外科手术或对敌人开枪等事情时，这项技术将给你带来极

大的方便。有两种计算机产生话音的方式：数字录音或声道仿真。

（3）语音识别

对人类声音的自动识别要比话音产生难得多。数字信号处理通常通过两步解决话音识别的问题：特征抽取及特征匹配。来自于音频信号的每个单词都被隔离开并与先前所输的单词相比较以确认与那个最接近。通常，这种系统仅限于很少的几百个单词；仅能接受在单词间具有明显停顿的话音；对每个说话的人都需要重新学习。

8. 图像处理

图像是具有特殊特点的信号。首先，是在空间对参数的测量，而大多数信号是在时间上对参数的测量。其次，图像包含了大量的信息。例如，存储一秒钟的电视图像需要10M 的空间。这要比同样长度的话音信号大1000 倍。第三，最后对于图像质量的判断常通过人类的主观评估而非客观标准来判断。这些特殊的特点使得图像处理成为DSP 中非常独特的一个子集。

课文 B: 现代数字设计

1. 综述

光速已经太慢了。通常情况下，大量生产的现代数字设计需要将时隙控制到皮秒级。光从你的鼻子走到你的眼睛需要的时间是100 皮秒（在100 皮秒里，光速运行约1.2 英寸）。这种时隙不仅要维持在硅芯片级别，而且要维持在物理形态上要大得多的系统板上，如计算

机母板上。这些系统运行在很高的频率，在这些频率上，导体表现得不再像一根简单的导线，而是具有了高频效应，它像一根传输线一样能够从相邻的器件上接收或传输信号。如果这些导线处理不当，它们将会无意地毁坏系统时序。数字设计要比模拟设计更加复杂。而且不止于此。数字技术是一项非常巨大的技术革命。它有一个持续的范例转变，工业革命，及快速变化的不平行发展的过程。事实上，它在技术公司的市场部门一直遵循以下信条：“当一个市场调查告诉你公众需要什么的时候，它往往已经过时了” 。

这种快速发展阻碍了技术进步，本书将要解决这个问题。问题是，现代数字设计需要以

前不曾用到过的知识。然而，许多当前的数字系统设计师不具有现代高速设计所需要的知识。这个事实导致了技术循环中大量的误导信息。通常，人们认为高速设计的概念很神秘。然而，因为所需知识达不到，这个问题并没有解决。事实上，许多相同的概念在电子工程的其它学科如无线频率设计及微波设计中已经使用了好几十年了。问题是所需科目的参考书要么太抽象不能被数字设计师立即应用，要么太实际以至于没有包含能够完整理解该学科所需的足够理论。该书将着眼于数字设计领域，解释所需的概念以便于工程师或学生去理解、解决当前乃至将来可能遇到的问题。值得注意的是本书中的所有内容都曾成功应用在现代设计中。

2. 基础

如同读者所知，数字设计的基本概念是用1 或0 代表信号传输信息。典型情况下，数字设计包含发送及接收一系列如图1 所示的梯形电压信号，其中高电压代表 1 低电压代表0。

携带数字信号的传输路径是相互连通的。连接包括从发送信号的芯片到接收信号的芯片中的所有电通路。这包括芯片包、连接件、插座及无数个附加结构。一组连接件被称为一条总线。一个由数字接收机区分高电压和低电压的电压范围被称为门限区域。在该区域中，接收机可

以判为高电平也可以被判为低电平。在芯片上，实际的开关电压随着温度、电压、芯片处理过程及其它参数变化而变化。从一个系统设计师的角度来看，有高电压门限和低电压门限，被称为Vih 和Vil ，高于接收芯片的高电压门限或低于接收芯片的低电压门限的信号可以保证在任何情况下都能被收到。因此为了保证数据的完整性，系统设计者必须保证在任何条件下，所发送的高电压不能——甚至是一小会儿的时间，低于Vih ，低电压必须一直低于

Vil。

为了使一个数字系统的运行速度最大化，在门限电压区域的不确定时间应被最小化。这意味着数字信号的上升或下降时间必须越短越好。理想情况下，信号上升或下降速率应该无

限大，实际上由于许多实际因素的影响而不会这么理想。实际中，几百皮秒的边沿速率是可

以达到的。读者通过傅立叶变换可验证到，边沿速率越大，信号的频谱越高，也意味着难度更大。每个导体都有电容，电感及与频率有关的电阻。当频率足够高时，这三个无一可以被忽略。因此一根导线将不再是一个导线，而是一个具有延迟和传输阻抗的分布式寄生元件，表现在从一个芯片到接收芯片的过程中就是传输的波形中具有信号扭曲及短时脉冲干扰噪声。导线变成了一个元件，与其周围的任何元件包括电源及地线配成对。一个信号不完全存在于导体本身中，而是当前所有的磁场和电场的合成。一个连接中的信号可能影响另一个连接中的信号或被另一个连接中的信号所影响。更进一步说，在高频时同一个连接的不同部分之间如包、连接件及弯曲之间都会存在复杂的相互影响。所有这些高频效应趋向于产生奇怪的、歪曲的波形。这确实给了设计者一个全新的高速逻辑设计视图。连接附近的每个结构部件的物理及电气特性对于保证合适的信号以合适的时序在Vih 和Vil 之间传输这样看起来简单的任务起着至关重要的作用。这些特性也决定着系统会将多少能量辐射至空气中，并可以此判断该系统是否符合官方的辐射要求。在以后几章中我们将看到如何计算这些。当一个导体必须被看作为一个分布式的电感和电容时，它就被称为是一个传输线。通常情况下，要根据如何满足感兴趣信号的最高频率所要求的波长来决定电路的物理尺寸大小。在数字设计领域，由于边沿速率决定着所含信号的最大频率，你可以比较信号上升沿及下降沿时间与电路板大小的关系，如同图2 所示。在一个典型的电路板上，信号以光速的一半的速度传输（确切的公式会在后续章节中介绍）。因此一个500 皮秒的边沿速率占据的电路板的边缘长度大约3 英寸。通常情况下，任何长为边沿速率1/10 的电路必须当作一条传输线来考虑。

高速设计中一个最困难的方面事实上是有很多相互影响的变量影响着数字设计的输出。有一些变量是可控制的而有一些是具有随机性的。高速设计的难点之一是如何处理许多变数，无论它们是可控的还是不可控的。通常情况下，可以通过忽略或假定变量的值使问题得到简

化，但这些忽略或假定有可能会在以后导致找不到根本原因的失败。由于时序变得更加严格，对于现代设计者来说过去能做的简化会变得越来越少。本书将会描述如何使大量的会导致不可追踪的问题的变量协同工作。如果没有处理大量变数的方法，无论设计者实际有多懂系统，一个设计最终都会成为凭臆测而进行的工作。处理所有变数的最后一步常是最难而且最易被设计者忽视的一部分。因不具备处理大量变数的能力，设计者最终将采取校对一些解决点并且希望这些能代替所有已知的条件。虽然有时这些方法是不可避免的，但这将成为危险的猜测游戏。当然，在设计中一定的猜测是存在的，但系统设计师的目标是使不确定因素最小化。

3. 过去和将来

Gordon Moore, Intel 公司的奠基人，曾预测计算机的性能将会每18 个月翻一番。历史证实了这一有洞察力的预测。显著地，计算机的性能大约每1 年半会翻一番，并且其价钱在大幅度下降。与处理器性能相关的度量是其内部时钟速率。图3 通过几个处理器的内部时钟速率展示了处理器的历史。到本书出版时为止，本章中即使是最快的处理器都会变得使人不以为然。这是因为计算机速度是按指速规律增长的。随着核心频率的增加，会需要更快的总线数据速率，因为总线要为处理器提供数据。如图4 所示，这导致了连接件的变化时间应按指数规律减小。时间减少意味着适当地考虑任何会导致到达接收机的数字波形的不确定性变得更重要。这是导致数字设计越来越困难的两个障碍的根本原因。第一个障碍很简单，即在一个数字设计中需要考虑的变数的绝对数量会增加。当频率增加时，新的，在较低的速率时可以被忽视的效应，会开始变得明显。通常来讲，系统设计的复杂性随着变量数量的增加按指数规律增长。第二个障碍是在过去设计中可以被忽视的效应，必须以非常高的精度来建模。通常这些模型在本质是三维的，或者需要非常专业的模拟技术，这已超出了数字设计师的学科范围。障碍可能对于处理器的外围器件更加意义深远，因为它们发展得很慢，但仍需要支持不断发展的处理器的越来越多需求。

上述的问题导致了目前的现状：需要解决新的问题。能够解决这些问题的工程师才能够定义未来DSP 技术的发展。本书将致力于使读者掌握实际中进行现代高速数字设计必须掌握的技能及足够的理论，这些知识会帮助读者解决作者可能还没有遇到过的问题。

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