電子信息工程中的數(shù)字信號處理技術(shù)探討

【關(guān)鍵詞】電子信息工程；數(shù)字信號處理技術(shù)；處理邏輯；應(yīng)用發(fā)展

引言

電子信息工程信號處理及運(yùn)算系統(tǒng)中，大部分信號都是連續(xù)的時間信號，如聲音、圖像、水流、電壓、腦電圖、心電圖等模擬信號。為了讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有效處理這些信號，便于信息的存儲、傳輸和運(yùn)算，技術(shù)人員必須提升信號在傳輸與應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性和效率，簡化運(yùn)算步驟，增強(qiáng)復(fù)雜運(yùn)算能力，降低應(yīng)用能耗。

一、數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用價值

數(shù)字信號處理技術(shù)作為重要的信號分析工具，是電子信息工程技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，具有很強(qiáng)的通用性。其通過對信號的離散化處理、數(shù)字化處理、流水線處理以及并行計(jì)算等步驟，能有效提高信號處理效率，滿足電子信息工程中對信號輸送的要求；通過對信號的濾波、去噪、恢復(fù)等處理能優(yōu)化信號品質(zhì)，減少噪聲與失真，滿足電子信息工程應(yīng)用對信號質(zhì)量的要求；通過對信號的頻域、時域分析與處理，提取其中的有效信息，并利用模式識別、人工智能等算法，增強(qiáng)信號分辨率；利用應(yīng)用場景的信號參數(shù)設(shè)置和算法優(yōu)化，可以為電子信息工程應(yīng)用提供靈活、多樣的信號處理解決方案[1]。

二、數(shù)字信號處理技術(shù)原理

數(shù)字信號處理技術(shù)以評估信號的特征參數(shù)或把信號轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N信號形式為目的，將連續(xù)的模擬信號經(jīng)取樣、量化和編碼等流程，編制成二進(jìn)制的數(shù)字形式，再進(jìn)行存儲、延遲或特技處理。其中涉及信號及其所載信息的表達(dá)、變換和處理方法，原理如圖1所示[2]，其中xa（t）表示輸入信號，ya（t）表示輸出信號。一個典型的數(shù)字信號處理系統(tǒng)通常包括：數(shù)字信號的抽樣和量化模塊、數(shù)字信號處理和分析模塊、模擬信號的重建模塊。不同的數(shù)字信號處理系統(tǒng)性質(zhì)各異，如線性、時不變性、單位沖激響應(yīng)、因果性、穩(wěn)定性、可逆性等。數(shù)字信號與模擬信號間通過數(shù)/?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。具體的信號處理過程中，需要選用符合轉(zhuǎn)換速度和精度要求的轉(zhuǎn)換器電路。

（一）序列處理

序列處理是數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)。以基于離散時間的數(shù)字信號處理系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)基于常見序列，能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行加法、乘法、移位、翻轉(zhuǎn)、尺度變換、累加、差分、卷積等多種運(yùn)算操作，還可運(yùn)用自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)等，分析兩個信號的相似性或一個信號與其自身時延信號的相似性和共享性，從而在互譜分析、噪聲信號檢測、模式匹配和延遲測量中發(fā)揮作用。同時，序列處理亦能借助相關(guān)的函數(shù)來描繪信號的序列周期性、能量與功率，憑借單位沖激響應(yīng)來闡述線性系統(tǒng)的時不變性，通過離散系統(tǒng)差分方程來表征離散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并求解系統(tǒng)的即時響應(yīng)，依據(jù)頻率響應(yīng)來分析系統(tǒng)的幅度特性和相位特性等。

（二）采樣與恢復(fù)

數(shù)字信號處理中，采樣是聯(lián)結(jié)離散信號和連續(xù)信號的橋梁，通過設(shè)置采樣開關(guān)的開關(guān)間隔周期T與合上開關(guān)的時間Tτ，實(shí)現(xiàn)信號的時間量化，獲得離散時信號。采樣信號作為周期函數(shù)，通過傅里葉變換可以得到頻域的沖激串序列、幅度和頻譜周期。采樣后的信號具有頻譜的周期延拓，可將其看作連續(xù)時間信號與沖激函數(shù)的乘積。采樣前必須基于相關(guān)要求對信號進(jìn)行模擬濾波操作，以免發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象。

信號恢復(fù)通過在采樣點(diǎn)間內(nèi)插插值函數(shù)，將信號從離散的數(shù)字信號整合為連續(xù)信號。以低通濾波器的信號恢復(fù)功能為例，除可選sinc函數(shù)作為內(nèi)插函數(shù)外，還可以利用一階線性函數(shù)，如零階保持器等，進(jìn)行數(shù)值內(nèi)插；在數(shù)模轉(zhuǎn)換器之后加入平滑低通濾波器，實(shí)現(xiàn)對時間波形的濾波操作。

（三）數(shù)字信號變換

數(shù)字信號系統(tǒng)的分析與處理包括時域分析法和變換域分析法。時域分析法是在模擬信號的連續(xù)性時域特征和數(shù)字信號的離散性時域特征的基礎(chǔ)上，建立描述信號系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將連續(xù)系統(tǒng)的微分方程變換為離散系統(tǒng)的差分方程。變換域分析法利用數(shù)學(xué)變換的方式，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到除時域外的其他域中，以簡化系統(tǒng)分析與信息處理。具體方法有：基于連續(xù)系統(tǒng)的拉普拉斯變換、傅里葉變換，以及基于離散系統(tǒng)的Z變換、離散傅里葉變換等。

（四）頻譜分析

頻譜分析以DFT、FFT等傅里葉變換為基礎(chǔ)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算各個信號頻率分量的幅值、相位、功率等信息，揭示信號的頻率構(gòu)成、諧波成分及相位關(guān)系。為有效減少頻譜分析中的頻率混疊、截?cái)嘈?yīng)以及柵欄效應(yīng)導(dǎo)致的誤差問題，操作者需要通過低通濾波器明確信號的最高頻譜，再依據(jù)奈奎斯特采樣定理的指導(dǎo)原則，在時域內(nèi)對信號實(shí)施合理的采樣操作。通過適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，比如改變窗函數(shù)的形狀和長度、增加變化緩慢的三角窗或漢明窗、增加窗口長度、減小窗譜旁瓣能量、變窄頻域主瓣等，降低階段效應(yīng)帶來的頻譜泄露和譜間干擾誤差。然而，在追求上述優(yōu)化效果的同時，必須注意到誤差降低與復(fù)雜度增加之間可能存在的矛盾，盡可能在保證算法效率的同時，提升頻譜分析的精確度。柵欄效應(yīng)導(dǎo)致的無法檢測問題，也可以通過增加頻域采樣點(diǎn)數(shù)、補(bǔ)零加大DFT變換點(diǎn)數(shù)等手段來解決。

（五）數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器主要利用系統(tǒng)函數(shù)或差分方程，將輸入信號通過一定的運(yùn)算關(guān)系變?yōu)樗栎敵龅臄?shù)字信號。常用的濾波器主要有高通、低通、帶通、帶阻等類型。數(shù)字濾波器根據(jù)用途可分為時域?yàn)V波器、頻域?yàn)V波器、自定義濾波器。其中，時域?yàn)V波器用于處理信息的信號波形編碼，能夠完成對濾波的平滑、直流消除、波形整形等操作；頻域?yàn)V波器能夠獲取信息的正弦波頻率特征，從而將不同頻帶區(qū)加以區(qū)分；自定義濾波器主要是在提取特定模式信號、匹配濾波等方面發(fā)揮作用[3]。

（六）數(shù)字信號處理器

對數(shù)字信號的處理可以通過軟件、硬件或軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。目前常采用后一種方式。技術(shù)人員借助數(shù)字信號處理器（DSP芯片）的強(qiáng)大處理能力，通過精密配置其硬件資源并編寫相應(yīng)程序代碼，對集成在芯片內(nèi)部的存儲器進(jìn)行編程，以此實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的數(shù)字信號處理任務(wù)，包括但不限于各類濾波操作。DSP系統(tǒng)組成及其應(yīng)用一般如圖2所示。操作者基于數(shù)字信號處理需要，定義系統(tǒng)性能指標(biāo)，選擇適宜的DSP芯片，在經(jīng)過軟件編程與調(diào)試、硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試后，進(jìn)行最終的系統(tǒng)集成、測試和調(diào)試工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息處理技術(shù)在信息工程系統(tǒng)中的完善應(yīng)用。

三、數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用舉例

數(shù)字信號處理技術(shù)在電子信息工程中的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)基于具體的應(yīng)用領(lǐng)域，充分了解該領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)電子信息工程系統(tǒng)的組織形式、運(yùn)行結(jié)構(gòu)、建設(shè)條件等背景；在此基礎(chǔ)上全面、客觀地采集、分析和處理各類信號資源；還應(yīng)當(dāng)利用算法并行策略提高處理效率，利用機(jī)器學(xué)習(xí)語言提升信號分類效果和傳遞效率；面對多變的處理需求和環(huán)境條件，能夠通過資源動態(tài)分配策略和能耗管理優(yōu)化措施預(yù)防潛在風(fēng)險[4]，為相應(yīng)的電子信息工程系統(tǒng)建設(shè)和性能優(yōu)化提供支持。一方面，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)在電子信息工程中的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展；另一方面，數(shù)字信號處理技術(shù)與電子信息工程系統(tǒng)的應(yīng)用融合性不斷增強(qiáng)，尤其是人工智能算法的快速發(fā)展，使信號、數(shù)據(jù)、信息層面的有機(jī)融合成為大勢所趨。

（一）數(shù)字控制系統(tǒng)：DSP技術(shù)與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

數(shù)字控制系統(tǒng)綜合數(shù)字信號處理技術(shù)及控制理論，為工程自動化和智能控制提供支持。數(shù)控系統(tǒng)中，輸入的信號可能是模擬信號也可能是數(shù)字信號，輸出的信號主要為電壓、電流或脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號。在物理上，實(shí)時數(shù)據(jù)信號（模擬信號和數(shù)字信號）的采集和處理（濾波、變換、存儲、加密等），需要通過對模擬信號與數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號采集電路等采集到DSP單片機(jī)中來實(shí)現(xiàn)。具體表現(xiàn)為對DSP單片機(jī)進(jìn)行程序編寫，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理和控制算法功能，繼而在執(zhí)行層面連接驅(qū)動器、繼電器、電機(jī)等設(shè)備。PWM整流控制系統(tǒng)便是一個具體的應(yīng)用事例[5]，其硬件設(shè)備包含了整流橋、濾波器、控制器等。該控制系統(tǒng)的性能評估涵蓋動態(tài)特性與靜態(tài)特性兩方面。動態(tài)特性包括系統(tǒng)響應(yīng)時間、超調(diào)量、阻尼比等參數(shù)；而靜態(tài)特性涉及系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及靜態(tài)精度等指標(biāo)。

為確保數(shù)字控制系統(tǒng)的性能符合設(shè)計(jì)預(yù)期，優(yōu)化輸入輸出參數(shù)、改善算法模型、提高傳感器的靈敏度、提升驅(qū)動器性能等措施必不可少。數(shù)字信號處理，可以通過設(shè)置采樣開關(guān)、FIR濾波器、控制PWM信號的占空比等措施，對整流器輸出電壓進(jìn)行采樣、濾波和控制精度優(yōu)化；同時采用MATLAB/Simulink等軟件進(jìn)行仿真模擬，幫助使用者有效評估數(shù)控系統(tǒng)效能。

（二）醫(yī)療系統(tǒng)：DSP提升診療檢測效能

現(xiàn)代醫(yī)療系統(tǒng)中，隨著生理信號感知技術(shù)的不斷發(fā)展，各種能夠被儀器和設(shè)備檢測到的生理信號，如心電、腦電、肌電、眼電、血壓、體溫等，都可以經(jīng)過一系列的處理后，交由科研人員進(jìn)行深入分析。首先，信號處理階段運(yùn)用濾波處理、噪聲消除、歸一化調(diào)整等方式對各種生理信號實(shí)施預(yù)處理操作，并提取其關(guān)鍵特征。隨后，數(shù)據(jù)分析層面，運(yùn)用模式識別技術(shù)、統(tǒng)計(jì)方法及時間序列分析手段對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入探究。最后，醫(yī)學(xué)成像與診斷層面，借助波形可視化、頻譜分析圖、時頻聯(lián)合分析圖等視覺化工具，對信號的形態(tài)進(jìn)行直觀展示。臨床醫(yī)生通過分析信號的頻率組分與動態(tài)屬性，輔助診斷與治療決策。以醫(yī)學(xué)成像中的CT檢測技術(shù)為例，通過濾波反射投影和迭代重構(gòu)等方法，對X射線吸收強(qiáng)度的算法進(jìn)行重構(gòu)，不僅可以有效提升可視化圖像的分辨率和對比度，還能減少患者的輻射暴露[4]。

（三）工業(yè)生產(chǎn)：信號處理與數(shù)據(jù)分析平臺建設(shè)

工業(yè)生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)方式、設(shè)備先進(jìn)性、數(shù)據(jù)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面的差異，生產(chǎn)活動信號采集工作面臨著實(shí)時信號采集難、采集精確性差、延伸性弱等問題。同時，工業(yè)信號數(shù)據(jù)處理與分析應(yīng)用中，由于軟件性能、人員技術(shù)能力參差不齊，容易產(chǎn)生技術(shù)應(yīng)用與生產(chǎn)脫節(jié)的問題。設(shè)計(jì)融合信號處理、數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)建模等功能的AI工業(yè)信號數(shù)據(jù)專用分析工具產(chǎn)品，或許可以為工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化發(fā)展與技術(shù)應(yīng)用提供新的發(fā)展方向。以某工業(yè)信號數(shù)據(jù)專用分析工具包為例，其功能架構(gòu)如圖3所示[6]。

該平臺系統(tǒng)基于可視化技術(shù)，通過特征工程方法將信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一系列特征量，并以內(nèi)置的多樣化數(shù)字信號方式，實(shí)現(xiàn)拖拽式信號處理與數(shù)據(jù)分析操作，簡化操作步驟；基于分幀、分貝、時段、功率、平穩(wěn)性、自適應(yīng)等多種分割方式進(jìn)行信號數(shù)據(jù)切分，實(shí)現(xiàn)低代碼、高速率的信號數(shù)據(jù)分析處理；通過信息數(shù)據(jù)類型與關(guān)系表數(shù)據(jù)類型的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)建模的有機(jī)融合，有效延展信號數(shù)據(jù)分析能力；通過擴(kuò)展編程節(jié)點(diǎn)、優(yōu)化自定義算法設(shè)計(jì)，有效提升算法應(yīng)用的靈活性、便捷性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的兼容性和安全性。以上技術(shù)的實(shí)施有助于企業(yè)便捷、高效地整合工業(yè)生產(chǎn)信號數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定的發(fā)展。

結(jié)語

數(shù)字信號處理技術(shù)能夠安全、穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行信號處理，實(shí)現(xiàn)信息的高質(zhì)量、高效率、低功耗傳播。其技術(shù)方法靈活多樣，相關(guān)應(yīng)用造價也較低，因此被廣泛應(yīng)用于通信、語音處理、圖像處理、地震監(jiān)測和生物工程等多個領(lǐng)域。無論是普通的消費(fèi)電子設(shè)備，還是精密的科學(xué)儀器，都離不開數(shù)字信號處理算法及其相關(guān)硬件。可以期待，數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展將帶來更高的實(shí)時硬件處理速率，其算法也將變得更加快速高效，向新的應(yīng)用領(lǐng)域拓展。