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第一课 现代数字设计及数字信号解决课文 A: 数字信号解决简介1. 什么是数字信号解决？数字信号解决，或DSP，如其名称所示，是采用数字方式对信号进行解决在这种状况下一种信号可以代表多种不同的东西从历史的角度来讲，信号解决来源于电子工程，信号在这里意味着在电缆或线或者也有也许是在无线电波中传播的电子信号然而，更通用地说，一种信号是一种可代表任何东西--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，用数字表达的”，其法语是“numerique” 一种数字信号由一串数字流构成，一般（但并非一定）是二进制形式对数字信号的解决通过数字运算来完毕数字信号解决是一种非常有用的技术，将会形成21世纪的新的科学技术数字信号解决已在通信、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种都使得DSP技术得到进一步发展，有该领域自己的算法、数学基本，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也许掌握已发展出的所有的DSP技术。

DSP教育涉及两个任务：学习应用数字信号解决的通用原则及学习你所感爱好的特定领域的数字信号解决技术2. 模拟和数字信号在诸多状况下，所感爱好的信号的初始形式是模拟电压或电流，例如由麦克风或其他转换器产生的信号在有些状况下，例如从一种CD播放机的可读系统中输出的信号，信号自身就是数字的在应用DSP技术之前，一种模拟信号必须转换成数字信号例如，一种模拟电压信号，可被一种称为模数转换器或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. 信号解决 一般信号需要以多种方式解决例如，来自于传感器的信号也许被某些没用的电子“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他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解决信号至少可以去掉不需要的信号部分如今，对信号滤波以增长信号的质量或抽取重要信息的任务越来越多地由DSP技术完毕而不是采用模拟电路完毕4. DSP的发展和应用数字信号解决的发展来源于60年代大型数字计算机进行数字解决的应用，如使用迅速傅立叶变换（FFT）可以迅速计算信号的频谱。

这些技术在当时并没有被广泛应用，由于一般只有在大学或者其他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摸索工作重要集中在4个核心领域：雷达和声纳，用于保卫国家安全；石油开采，可以赚大量的钱；空间摸索，其中的数据是不能反复产生的；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产生了诸多新的应用与以往由军方或政府的需求驱动不同，DSP忽然间由商业市场的需求驱动了任何觉得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、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年代初期，DSP是电子工程专业的研究生课程，后，DSP成为了本科生课表中的一部分今天，DSP是诸多领域的科学家及工程师需要掌握的原则技能DSP可以与此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，她们将在技术界落伍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某些扩展应用如图1所示5. 数字信号解决器(DSPs)20世纪70年代后期及80年代前期微解决器的浮现使得DSP技术在更广泛的范畴内应用成为也许。

然而，通用的微解决芯片，如Intel的X86系列用于对数字敏感的DSP应用并不抱负，在20世纪80年代，DSP变得越来越重要，这导致了诸多重要的电子元件制造商（如德州仪器, ADI及摩托罗拉等）开始注重开发数字信号解决器芯片—一种专用的微解决器，具有专为数字信号解决需求操作而设计的系统构造这里要注意的是，DSP的缩写可指数字信号解决，这个术语表达广泛应用的用于数字化地解决信号的技术，或者数字信号解决器，一种特殊的微解决芯片）与通用的微解决芯片同样，一种DSP是一种可编程设备，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，像其他更广为人知的通用微解决器同样，更快更强大的DSP在不断地浮现DSPs可以被嵌入到其他一般涉及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；通过空间摸索进行智能传感分析医学：诊断图像（CT，MRI，超声波及其他）；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 ：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；仿真和建模虽然DSP技术所依赖的某些数学理论，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，也许相称复杂，而实际中实现这些数字运算的技术却非常简朴，其涉及的重要运算可由一种便宜的具有加减乘除功能的四则运算器实现。

DSP芯片的构造设计使得这些运算的速度快得不可思议，每秒钟可解决上亿次的采样值，从而具有实时性：也就是说，当其解决一种信号时，使之像刚刚采样并输出同样具有实时性如一种扬声器或一种视频显示此前所提到的所有的DSP的应用实例，如硬盘驱动器和移动，都需要实时操作重要的电子元件制造商都在DSP技术领域大量投资由于她们发目前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目前每年的销售额在10亿美元左右，并且看来会持续迅速增长6. DSP的深度犹如你从每个应用中所注意到的同样，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与其他技术学科之间的边界不是非常精确或明拟定义的，而是非常模糊或互相重叠的如果你想精通DSP，就需要同步学习有关的科学、工程及数学领域的知识7. DSP影响的领域1）电信DSP在诸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、滤波以清除电源噪声等这里将要讨论来自网的三个特例：复用、压缩及回声控制1) 复用 世界上大概有10亿部只要按下很少的某些按钮，互换网容许其中的一部与任何别的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种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播该技术称为复用2) 压缩 当以8000个采样值/秒的速度对一种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，由一种采样携带的信息与其相邻采样在很大限度上是反复的诸多DSP算法用于将数字化的语音转换成需要较少的bits/sec的数据流，这称为数据压缩算法相应的解压缩算法用于将信息恢复成其原始形式这些算法根据压缩比及最后的话音质量来辨别优劣一般来说，这些算法可以使数据率从64kb/sec减少到32kb/s而不会导致话音质量的损失3) 回声控制 回声是长距离连接中的一种严重的问题当你对一种发言时，一种代表你声音的信号会被传播到所连接的接受端，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样短时间延迟的回声，连接听起来相称正常当距离增大时，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，这是相称让人讨厌的。

数字信号解决技术通过测量返回信号，并产生一种相应的相反信号以抵消这些令人讨厌的回声来解决此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） 语音解决人类的两个最基本的感观是视觉和听觉相应地，许多DSP是与图像及声音解决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称长的用数字信号代表数据是很重要的，目的是避免模拟话音存储及解决中常有的话音衰退现象这与任何一种人将磁带的声音质量与CD的声音质量进行对比的成果是同样的一种典型的场景是，一段音乐在录音棚中是通过不同的声道进行录制的有些状况下，这甚至涉及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后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，涉及:滤波、信号附加及截断、信号编辑等在音乐合成中DSP最有趣的一种应用是人工回放如果各个信道仅仅是简朴地叠加在一起，最后听到的音乐是脆弱无力的，就犹如音乐家在门外演奏同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同样的环境，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辨认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以便有两种计算机产生话音的方式：数字录音或声道仿真3） 语音辨认 对人类声音的自动辨认要比话音产生难得多数字信号解决一般通过两步解决话音辨认的问题：特性抽取及特性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一般，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止的话音；对每个说话的人都需要重新学习8. 图像解决图像是具有特殊特点的信号一方面，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另一方面，图像涉及了大量的信息例如，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原则来判断这些特殊的特点使得图像解决成为DSP中非常独特的一种子集。

第二课 嵌入式系统及应用课文A：嵌入式系统的特点什么是嵌入式系统？嵌入式系统是计算机工程的一种全新分支它是对老式不可顾客编程的专用计算机设备的一种发展，仅应用于某一专用领域（例如医疗设备），将计算机技术与机械工程设计结合了起来嵌入式系统是一种有专用用途的计算机，嵌入在设备的内部例如，微波炉中就具有一种嵌入式系统，它接受来自面板的输入，进而控制液晶显示屏进行显示，控制加热元件的开关以煮熟食物嵌入式系统一般采用微控制器，这种微控制器是一种单一器件，但具有电脑的许多功能摩托罗拉公司和英特尔公司生产的微控制器最受专业人士欢迎 嵌入式系统的市场正在逐渐扩大，由于工程师们结识到许多其她工程项目也可受益于嵌入式系统技术目前，到处均有嵌入式系统的身影，从食品加工到汽车生产以及更多的领域生活在计算机时代意味着，在这十年内，在任何状况下，我们都将很难再找到一种机械设备没有或多或少以某种形式波及到嵌入式系统嵌入式系统分不同的级别电脑玩具和厨房用品只是嵌入式系统的非常简朴的体现形式许多更复杂的医疗设备具有更强大的功能，事实上其受益于使用了不止一种嵌入式系统虽然这意味着我们在平常生活中随手拿来。