數(shù)字信號(hào)處理的最新應(yīng)用及發(fā)展前景剖析

卜子?xùn)| 吳佳凱

華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院

一、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)概要

（一）數(shù)字信號(hào)處理的概念

數(shù)字信號(hào)處理是以軟件或硬件為實(shí)現(xiàn)依托，采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行操作處理的一門網(wǎng)絡(luò)理論與計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的學(xué)科。它主要研究內(nèi)容是如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)和各種數(shù)字硬件通過卷積運(yùn)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(hào)。

（二）數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的特點(diǎn)

（1）數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)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(hào)時(shí)會(huì)表現(xiàn)出極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

（2）數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)具有良好的穩(wěn)定性。數(shù)字系統(tǒng)中的參數(shù)不會(huì)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(hào)通過一些運(yùn)算變換轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定信號(hào)，鞏固了自身的穩(wěn)定性能。

（3）數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)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(gè)或一些參數(shù)變量來達(dá)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(hào)處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多種功能。通過數(shù)字信號(hào)處理的一些技巧來完成許多功能。

二、數(shù)字信號(hào)處理的最新應(yīng)用

談及數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用，其淵源可以追溯到17世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(hào)處理開始浮出水面[1]，到20世紀(jì)80年代，數(shù)字信號(hào)處理因當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)受限就一直處于基礎(chǔ)發(fā)展階段。1982年，第一個(gè)DSP芯片的誕生為數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)注入了極強(qiáng)的動(dòng)力，運(yùn)算速度得到質(zhì)的有效飛躍[2]。從20世紀(jì)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(hào)處理與電子計(jì)算機(jī)、人工智能等結(jié)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(shù)。

（一）數(shù)字信號(hào)處理在聲音處理領(lǐng)域的應(yīng)用

貢維勇[3]闡述了基于DSP的智能降噪耳機(jī)，其設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的DSP智能降噪耳機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?qū)⒃胍粜盘?hào)處理轉(zhuǎn)換為次級(jí)聲波，與原噪聲信號(hào)在特定的區(qū)域內(nèi)相互抵消，使耳機(jī)不但能降低噪音干擾，而且還能保持耳機(jī)中原來呈現(xiàn)出的良好的音質(zhì)效果。Fatemeh Hajiahababa等人[4]研究出了一種基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xùn)練集上調(diào)整了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，再根據(jù)所定義的包含有最小均方誤差和短時(shí)目標(biāo)可懂度的代價(jià)函數(shù)以及包含有分段信噪比、對(duì)數(shù)似然比和加權(quán)譜斜率等綜合指標(biāo)評(píng)估其性能。在水聲領(lǐng)域中，聲吶設(shè)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(dòng)信號(hào)，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(shù)手段進(jìn)行處理，以此來保障聲吶通信質(zhì)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(hào)處理器芯片組合起來構(gòu)成了信號(hào)處理機(jī)，硬件系統(tǒng)完成后，他們親自設(shè)計(jì)開發(fā)出了相對(duì)應(yīng)的軟件系統(tǒng)，可以與信號(hào)處理硬件相匹配。通過實(shí)時(shí)的對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，該聲吶探測系統(tǒng)在復(fù)雜的水下環(huán)境中的低速運(yùn)動(dòng)具有應(yīng)答速度快，信號(hào)穩(wěn)定以及探測準(zhǔn)確等特點(diǎn)，有效解決了水下雜波信號(hào)的影響。任宇飛[8]等人提出了可以基于TMS320C6678多核DSP構(gòu)建一個(gè)在水下進(jìn)行對(duì)探測聲吶信號(hào)處理的平臺(tái)，利用此處理器具有的能夠多核并行運(yùn)算的特點(diǎn)，結(jié)合DSP軟件程序，利用波束形成算法對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行相位取齊的時(shí)延補(bǔ)償操作，獲取信噪比較大的信號(hào)，從而探測出目標(biāo)的相對(duì)基陣方位，此系統(tǒng)有力證明了多核DSP強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力。

（二）數(shù)字信號(hào)處理在氣體檢測中的應(yīng)用

全國兩會(huì)的成功舉辦引出了許多熱點(diǎn)話題，其中，關(guān)于生態(tài)環(huán)保、污染防治的內(nèi)容依舊是全國關(guān)注的焦點(diǎn)之一。人們?cè)絹碓街匾曈煽諝馕廴驹斐傻慕】滴：?，所以氣體檢測技術(shù)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(diào)節(jié)到待測氣體的吸收線位置，應(yīng)用數(shù)字信號(hào)放大器將氣體中的噪聲信號(hào)進(jìn)行放大，從而升高其信噪比，此時(shí)，低頻區(qū)域內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)有用的信號(hào)，高頻區(qū)域內(nèi)只有噪聲信號(hào)，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(jìn)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(jù)，進(jìn)一步實(shí)施治理方案。另外，張魯寧、石玉[6]指出將數(shù)字信號(hào)處理濾波器中的數(shù)據(jù)與二次諧波信號(hào)的原理結(jié)合，建立仿真模型，利用乘法器對(duì)待測信號(hào)與調(diào)諧信號(hào)以及有關(guān)正弦信號(hào)進(jìn)行處理，可以得到諧波信號(hào)，再加以濾波，就可以大幅降低信號(hào)中的噪聲的影響，得到二次諧波信號(hào)，從而滿足不同環(huán)境下對(duì)氣體標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（三）數(shù)字信號(hào)處理在車輛領(lǐng)域的應(yīng)用

在車輛領(lǐng)域內(nèi)，主要是利用DSP技術(shù)可以對(duì)車載相機(jī)傳輸出的圖像進(jìn)行處理，便于操縱人員及時(shí)準(zhǔn)確的作出反應(yīng)。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(jìn)行遠(yuǎn)程控制車輛，為此，吉豪等人[9]基于DSP和LaVIEW軟件提出設(shè)計(jì)一套車輛遠(yuǎn)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(hào)以此來獲取遠(yuǎn)程駕駛?cè)藛T的操縱指令并處理相應(yīng)數(shù)據(jù)的操縱平臺(tái)、用于實(shí)時(shí)傳輸操縱人員的指令，并且及時(shí)回傳車輛的狀態(tài)畫面的通信系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程車輛通信系統(tǒng)。但即使是遠(yuǎn)程操縱汽車，也會(huì)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(jī)器視覺的車輛偏離檢測與車輛前向安全車距檢測技術(shù)，在該項(xiàng)研究中，他們構(gòu)建了車距監(jiān)測模型以及可通過設(shè)置安全和警報(bào)區(qū)域的車道偏離模型，最后利用DSP-DM3730平臺(tái)進(jìn)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(hào)處理在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用

機(jī)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(jī)器人才能完成相應(yīng)的動(dòng)作，數(shù)字信號(hào)處理器可以幫助機(jī)器人更好的處理數(shù)據(jù)并作出相應(yīng)操作。宋飛[11]對(duì)數(shù)字信號(hào)處理在移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了討論，他指出數(shù)字信號(hào)處理器控制機(jī)器人體系正常運(yùn)行的基本原理是：機(jī)器人將收集到的周圍環(huán)境信息傳輸給上位計(jì)算機(jī)，并接收計(jì)算機(jī)傳達(dá)的信號(hào)，把收到的路徑軌跡操作指令轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，再嚴(yán)格把控步進(jìn)電機(jī)，從而達(dá)到對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行進(jìn)行把控的目的。在新型農(nóng)機(jī)設(shè)備中，除草機(jī)器人擁有較高的作業(yè)水平，為了提高除草機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的精度以及實(shí)時(shí)處理圖像的效率，高霞[12]在設(shè)計(jì)視覺導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)加入了DSP圖像處理技術(shù)，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，利用Matlab將采集到的的圖像處理成CCS的數(shù)據(jù)文件，然后交給DSP處理器對(duì)它進(jìn)行運(yùn)算處理。經(jīng)過計(jì)算，可以有效的識(shí)別出導(dǎo)航的位置線，同時(shí)擁有較高的精度，滿足了除草機(jī)器人的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（五）數(shù)字信號(hào)處理在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

山東壽光巨能特鋼有限公司[13]將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用在冶煉廠軋機(jī)軸承的故障處理中，通過對(duì)軋機(jī)軸承及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)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(shí)間及振動(dòng)等）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，可以幫助工程師實(shí)時(shí)監(jiān)測軸承故障，有助于工廠能及時(shí)調(diào)修設(shè)備并保障工人安全及工作的正常進(jìn)行。在對(duì)電機(jī)機(jī)械出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷時(shí)，方法層出不窮，Diogo Aranha Ribeiro等人[14]研究出可以基于光學(xué)計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以及振動(dòng)分析來對(duì)故障進(jìn)行診斷的新方法，他們?cè)囼?yàn)的機(jī)械故障與軸承損壞有關(guān)，所以他們?cè)跍y試中建立了所需的軸承損傷檢測試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)需要測量的信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域和頻域方面的分析，并且采用模式識(shí)別方法對(duì)軸承狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)照分類，即損傷與非損傷的分類。診斷結(jié)果顯示的故障與實(shí)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(hào)處理的發(fā)展前景

在電子計(jì)算機(jī)、人工智能等科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，追求性能強(qiáng)、速度快、功耗低以及成本低是數(shù)字信號(hào)處理發(fā)展的大勢(shì)所趨。DSP可以與微處理器深度融合，將大大提升其運(yùn)算處理能力，加快運(yùn)行速度，同時(shí)也在一定程度上會(huì)降低成本和功耗。數(shù)字信號(hào)處理也可以與FPGA融合，能進(jìn)一步提升寬帶信號(hào)處理的質(zhì)量，提升其效率，以及處理數(shù)據(jù)的能力和速度。同時(shí)，基于DSP強(qiáng)大的處理能力，與SoC即芯片級(jí)系統(tǒng)融合后必定會(huì)使集成電路的性能上升一個(gè)臺(tái)階，系統(tǒng)功能可以得到大幅增加，數(shù)據(jù)處理速度也會(huì)有所提高，一塊集成板可以發(fā)揮兩個(gè)不同領(lǐng)域的作用，可以大大節(jié)省成本。

結(jié)語：創(chuàng)新是民族進(jìn)步之魂，數(shù)字信號(hào)處理趕上了計(jì)算機(jī)信息發(fā)展的大勢(shì)，我國應(yīng)該深度剖析數(shù)字信號(hào)處理的現(xiàn)狀，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，探索開發(fā)數(shù)字信號(hào)處理未來的發(fā)展動(dòng)向，將其運(yùn)用到能推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的更多領(lǐng)域，幫助提升更多領(lǐng)域中與信號(hào)處理相關(guān)作業(yè)的效率，使現(xiàn)代數(shù)字化經(jīng)濟(jì)發(fā)展的更快、更強(qiáng)。