數(shù)字信號處理技術(shù)在電路虛擬仿真實驗中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號；處理；仿真；應(yīng)用

中圖法分類號：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

數(shù)字信號處理是智能化設(shè)備的重要基礎(chǔ)，在利用智能化技術(shù)對外部信號進(jìn)行處理的過程中，首先需要將外部傳感器信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐房蓚鬏數(shù)臄?shù)字信號，才能夠通過單片機或中心處理器進(jìn)行計算與邏輯安排?；诖耍瑪?shù)字信號是智能化設(shè)備的應(yīng)用核心，也是電路仿真實驗中的重要一環(huán)。當(dāng)前，針對數(shù)字信號處理的方式主要采用基爾霍夫定律來進(jìn)行實現(xiàn)，本文也將在簡述其原理的基礎(chǔ)上對此技術(shù)在仿真中的實際應(yīng)用及應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

1數(shù)字信號處理的基本原理

在電路中，數(shù)據(jù)的表征方式一般是二維的，即通過通電“1”和斷電“0”來進(jìn)行表征。這一特征與電路數(shù)字信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性相關(guān)，在此前的研究中也有利用電壓等方式對復(fù)雜信號進(jìn)行模擬的嘗試，但穩(wěn)定性無法達(dá)到當(dāng)前芯片對數(shù)據(jù)處理的要求而擱淺。因此，在數(shù)字信號處理的過程中，將傳感器收集到的外部數(shù)據(jù)利用電路中的“0和1”進(jìn)行表征是信號數(shù)字化的基本原理。

數(shù)字信號處理大體上可以分為3個基本步驟。其一是利用電路將外部獲取的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的數(shù)字信號；其二是對數(shù)字信號進(jìn)行加工與分析；其三是按照運算結(jié)果將輸出的數(shù)字信號再次轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號（如圖1所示）。數(shù)字信號的處理重點需要解決由模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變。外部傳感器所獲得的信號是一種模擬信號，如一種聲音、溫度變化等。在電路中需要通過必要的電路系統(tǒng)將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。模擬信號在通過傳感器后是以電信號的形式所存在的，如當(dāng)傳感器接收到一段聲音后，聲音震動的頻率與幅度會改變電路中電流的大小。

此時，模擬信號已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢我噪娏鳛檩d體的數(shù)字信號，但是未經(jīng)過加工的數(shù)字信號會存在一定的失真與雜音，其產(chǎn)生的方式與原理較為復(fù)雜。同樣以聲音為例，不同波動對于電流大小的改變并非完全線性的，而在特定頻率下會產(chǎn)生“跳遷”，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)化的效率與準(zhǔn)確性。這就需要采用必要的手段對獲得的初始信號進(jìn)行進(jìn)一步的加工，具體包括過濾、降噪等，在運算時則需要采用篩選、變換、濾波、放大等方式使其形成穩(wěn)定、可靠，且可供后續(xù)數(shù)字信號處理器識別的有效數(shù)字信號。其中.濾波技術(shù)是一個極為關(guān)鍵的實現(xiàn)手段，根據(jù)電容對于電流波動性的消解作用，以電磁放大的具體手段將接收到的數(shù)字信號進(jìn)行放大，并對其展現(xiàn)的恒流波進(jìn)行電子整合，以形成與模擬信號呈現(xiàn)出良好線性關(guān)系的數(shù)字信號，進(jìn)而保障數(shù)字信號的還原度與真實性。

2數(shù)字信號處理算法及仿真技術(shù)

數(shù)字信號的處理方式除了硬件的支持，還需要對其具體算法進(jìn)行實現(xiàn)，進(jìn)而保障實驗過程的穩(wěn)定性及可靠性。同時，為了快速地對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行認(rèn)證，在實物實驗前開展仿真計算，以達(dá)到更高的便捷性。

2.1數(shù)字信號處理算法

目前，針對數(shù)字信號處理所采用的主要方法是離散型傅里葉變換（DFT）。此方式的核心是在接收到仿真信號后在數(shù)據(jù)域和頻域的雙維度上進(jìn)行特定參數(shù)的離散（見式1）。

通過式1中不難發(fā)現(xiàn)，傅里葉轉(zhuǎn)換過程中的Xj的電阻系數(shù)是表征系統(tǒng)內(nèi)電路電信號的關(guān)鍵，并與電阻最大化的奇數(shù)成正比例關(guān)系，而以時間作為周期轉(zhuǎn)換周期與所形成的頻域信息及產(chǎn)生的周期呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而對于不符合周期性的電信號則予以去除。在實際應(yīng)用中，DFT首先對數(shù)據(jù)域和頻率域進(jìn)行離散，然后利用DSP等專用的數(shù)據(jù)處理設(shè)備對信息總體進(jìn)行離散化。同時，可以采用FFT技術(shù)對離散系數(shù)進(jìn)行求解，此方式大大減少了DFT的計算次數(shù)，實現(xiàn)了對數(shù)字信號的真正高效加工，從而促進(jìn)了傅里葉技術(shù)的發(fā)展與拓寬實際應(yīng)用的廣度。傅里葉轉(zhuǎn)換是數(shù)字信號處理過程的重要組成部分，它的時延性和運算性能是表示數(shù)字信號的關(guān)鍵。值得注意的是，由于傅里葉轉(zhuǎn)換應(yīng)用的廣泛性，當(dāng)前存在一種專門的單片機對傅里葉轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行計算，從而使得針對數(shù)字信號的處理更為便捷。無論是從頻域還是從數(shù)字信號的角度出發(fā)，都可以把時間域的信號轉(zhuǎn)化為頻域，也可以把頻域的信息轉(zhuǎn)化為時間域，因為所探測到的信息大部分具有一定的連續(xù)周期。也正是基于這一原理，如雜音、系統(tǒng)雜波等由于沒有連續(xù)的周期性，進(jìn)而能夠在傅里葉轉(zhuǎn)換中得到有效的規(guī)避與消解，所轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號與原有模擬信號之間的線性相關(guān)性相對較好，在二次還原后能夠得到更為精準(zhǔn)的模擬信號。

2.2數(shù)字信號處理的仿真技術(shù)

離散傅里葉轉(zhuǎn)化是一種數(shù)學(xué)方法，在具體的實現(xiàn)過程中可以通過電子處理的方式予以實現(xiàn)，同時可以利用電路結(jié)構(gòu)予以實現(xiàn)。如何利用電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對數(shù)字信號的處理則是仿真工程中所需要解決的關(guān)鍵性問題。因此，在開展仿真實驗的過程中，開發(fā)者往往采用模塊化方式對具體的電路進(jìn)行構(gòu)建，通過對數(shù)字信號處理單元的建模來實現(xiàn)對相關(guān)信號的處置。

目前，仿真模擬技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。這種技術(shù)可以利用計算機技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實的方式創(chuàng)造出一種可以讓人感覺不到的虛擬環(huán)境，并對虛擬設(shè)定的電路進(jìn)行運行，以觀察電路中不同結(jié)構(gòu)的功能與狀態(tài)。這種基于模擬與仿真所建立的環(huán)境和空間雖然僅供參照，不能作為最終影響結(jié)果進(jìn)行使用，但是對于技術(shù)的迭代以及前期觀察具有積極的意義。將虛擬模擬技術(shù)應(yīng)用于實驗中，可以對實驗結(jié)果進(jìn)行觀察分析，以最快的速度檢驗該系統(tǒng)的合理性。與此同時，通過對電路設(shè)計創(chuàng)意的實驗，可以從性能設(shè)計、邏輯設(shè)計、模擬測試等方面來體現(xiàn)其功能，使其能夠更好地向受試者展示電路運行的真實狀況。通過對電路工作和環(huán)境的仿真，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)性能的直接影響，且對于調(diào)試等必要環(huán)節(jié)均能夠提升其效能。目前，常用的仿真程序包括Multisim和OrCAD等。除了上述優(yōu)勢，利用仿真的方式進(jìn)行電路設(shè)計還能夠極大地降低成本，并保障使用者的安全。

3數(shù)字信號處理算法在仿真實驗中的應(yīng)用

為進(jìn)一步認(rèn)證本文所探討的數(shù)字信號處理算法的有效性，以基爾霍夫定律作為驗證的主要手段，以Multisim為仿真工具，對實體電路進(jìn)行仿真搭建，并分析其主要指標(biāo)效果，具體結(jié)果如下。

3.1實驗設(shè)計

本文以Multisim為仿真軟件對數(shù)字信號處理模塊進(jìn)行仿真建設(shè)，并利用試運行的方式確定仿真技術(shù)下數(shù)字信號處理技術(shù)的具體應(yīng)用方式。在此實驗中利用Multisim提供的元件庫對具體線路進(jìn)行構(gòu)建，包括電源系統(tǒng)、線路以及信號的接收模塊及其等效電阻。在仿真單元構(gòu)建完畢后，實驗的開展具體包括如下幾個步驟：其一，對仿真線路進(jìn)行搭建與建模，并規(guī)范各個節(jié)點之間的檢測依據(jù)；其二，在仿真環(huán)境下，利用直流電源認(rèn)證不同電氣元件之間的可靠性，通過基爾霍夫定律求解不同電子元件的闡述設(shè)定，以及與輸入信號之間的線性關(guān)系，為后續(xù)的數(shù)字信號處理提供參數(shù)上的支持；其三，利用交流電源的輸出模擬數(shù)字信號處理的真實運行情況，分別對不同節(jié)點之間工作點的運行狀態(tài)進(jìn)行掃描，從而獲得數(shù)字信號處理技術(shù)的總體濾波效率，并對輸出結(jié)果的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷。通過此實驗結(jié)果的對比，能夠充分了解在仿真條件下所設(shè)計的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的真實運行狀態(tài)，為后續(xù)的實物搭建以及單片機產(chǎn)品設(shè)計提供參考與指導(dǎo)。

3.2仿真設(shè)計

通過對仿真軟件Multisim構(gòu)建對應(yīng)的電路系統(tǒng)，來實現(xiàn)對數(shù)字信號的處置，如圖2所示。其中，El為輸入電源，用來仿真外部傳感器的電信號輸入（將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栐趥鞲衅鲀?nèi)部可以完成），其后通過轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)對雜波的物理過濾，并實現(xiàn)有效的放大。E2作為電路自身的電源供給對信號的放大提供能源支持，根據(jù)對不同點位的電流檢測可以獲得多維度的電信號信息，作為仿真結(jié)果的輸出端。仿真電路有2個開關(guān)組.S1和S2作為輸入與輸出信號的控制單元。與此同時，不同電路線路中設(shè)置等效電阻，以防止仿真過程中短路情況的出現(xiàn)。上述電路在直流通電情況下，并未出現(xiàn)短路等情況，線路運行狀態(tài)良好，支路電流的分配符合基爾霍夫定理的分配原則，證實了仿真電路系統(tǒng)真實有效。

在完成直流條件下的電路合規(guī)性檢驗后，對交流電路進(jìn)行仿真設(shè)計。交流電路的基本模式及構(gòu)成方式與直流類似，其中傳感器的電信號采用交流進(jìn)行模擬。同時，布置示波器對電信號進(jìn)行接收，并以示波器的0，T端作為數(shù)字信號的輸出端口。在示波器的布置上，A點接人通過Ri的電阻電流，B點接入通過R2的電阻電流，C點接入通過R₃，的電阻電流。利用示波器的波形整合及放大對數(shù)字信號進(jìn)行輸出，并對輸出結(jié)果的質(zhì)量進(jìn)行判斷。具體如圖3所示。

3.3實驗結(jié)果

在上述仿真電路中，實際聯(lián)通交流電源后（E1）不同點位掃描電流結(jié)果如表1所列。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中心電阻R₁阻值發(fā)生變化時，總體電路的電信號處理效率存在明顯的變化，且呈現(xiàn)出明顯的先升高后下降的趨勢，但總體的電信號處理質(zhì)量均超過90%。這說明，此仿真模式下數(shù)字信號處理系統(tǒng)能夠有效滿足電信號的處置需求，并提供穩(wěn)定的輸出信號。但是，電路自身對于輸出效能的影響也較為明顯，影響的方式為電路自身的等效電阻呈現(xiàn)出“倒U型”趨勢，在二次函數(shù)模擬的情況下可以發(fā)現(xiàn)其峰值出現(xiàn)在805～1050Ω。因此，在實際設(shè)計中采取線路等效電阻在950Ω左右，其處于最佳的處理區(qū)間。在該區(qū)間中，本次數(shù)字信號處理技術(shù)的仿真結(jié)果顯示出最大的處理準(zhǔn)確性。

而從I₁的指標(biāo)來看，該指標(biāo)作為示波器的輸入單元，代表了初始數(shù)字信號的進(jìn)入強度，在數(shù)字信號的放大過程中，信號質(zhì)量會存在一定的弱化，因此輸入電流越高越好。從表1的結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，隨著等效電阻的逐步增加，輸入電流呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢，當(dāng)?shù)刃щ娮鑿?05Ω，提高到1050Ω時，輸入電流從0.009718下降至0.004 301，下降幅度為48.66%，這一指標(biāo)也進(jìn)一步說明在進(jìn)行數(shù)字信號處理的過程中等效電阻的阻值不能超過1000Ω。當(dāng)然，若提高輸入電壓（傳感器數(shù)字信號電壓），則會在一定程度上規(guī)避此現(xiàn)象造成的影響，但需要傳感器系統(tǒng)消耗更多的能源，也客觀上提高了傳感器系統(tǒng)的造價。

作者簡介：

王軍章（1977—），大專，助理工程師，研究方向：電子信息工程。