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【Tech Tip】數位訊號處理(DSP)指南:優化技巧

數位訊號處理(DSP)代表著電腦科學中一個令人興奮的領域,對於設計新的嵌入式系統產品的工程師來說,這是一個充滿無限可能性的世界;DSP技術使用特別設計的程式和演算法來操作類比訊號,產生更高品質、較少受到損壞、或更容易傳輸的訊號。


在這篇部落格文章中,我們將探索數位訊號處理背後的一些技術,我們將研究典型的元件,比較類比訊號和數位訊號之間的關鍵差異,以及DSP的最常見應用案例。


什麼是數位訊號處理(DSP)?

數位訊號處理,簡稱DSP,是一種強大的技術,應用於科學、工程、醫療保健和通訊等多個領域;DSP技術能夠處理和操控從各種現實世界為來源所獲得的感測資料,視覺圖像、聲波、甚至地震波,都可以作為數位訊號處理的輸入。


數位訊號處理的一般功能是量測、壓縮、或過濾類比訊號,這通常要求DSP在固定的、或受限制的時間框架內執行大量簡單的數學運算(如加法、減法、乘法、除法等),為了實現這一點,像德州儀器(Texas Instruments)等公司已經開發出專為數位訊號處理任務優化的專用微處理器晶片。


DSP的發展始於1960年代末至1970年代初,當時數字計算機(現今我們所熟知的電腦)首次提供給政府和最大的企業使用,但尚未普及到一般大眾。當時,DSP技術的應用主要集中在軍事和政府領域,涉及雷達和聲納、太空和石油勘探以及醫學影像等領域。隨著個人電腦在1980年代及以後普及,數位信號處理開始擴展到更廣泛的商業和消費者應用領域。移動電話、電影特效和MP3文件都依賴於DSP技術。


數位訊號處理 (DSP) 的元件


一個典型的數位訊號處理系統遵循一個基本架構,以實現對類比訊號的數位轉換和處理;數位訊號處理(DSP)的第一個要求是始終需要一個訊號來源,也就是要有一個需要被處理的訊號,這個訊號可以是需要進行過濾、量測、或壓縮等操作的原始訊號;在進行DSP處理之前,必須先確保有可處理的訊號來源。處理訊號的第一步是使用類比數位轉換器(ADC)將類比訊號轉換為數位訊號,ADC將輸入的類比電壓轉換為該電壓的數位量測值。


在將訊號轉換為數位格式後,資料可以透過DSP晶片進行處理,根據應用特定的要求對訊號進行過濾、壓縮或其他操作;一旦數位訊號經適當修改,可以使用數位類比轉換器(DAC)將其轉換回類比格式;最終的結果將是一個新的類比訊號,代表著對原始輸入訊號的數位修改。


一個數位訊號處理晶片包含四個主要原件:

  • 程式記憶體: DSP晶片包含兩種記憶體類型,第一種是程式記憶體,用於儲存晶片處理資料所使用的程式和演算法,DSP晶片的程式設計因應不同的應用而有所不同。

  • 資料記憶體: DSP晶片使用的第二種記憶體被稱為資料記憶體;這是晶片儲存接收到的資料,並在晶片上進行處理的地方;通常情況下,數位訊號處理晶片接收的資料,是先經過類比訊號轉換為數位訊號的形式;這是因為數位訊號處理主要針對數位訊號進行操作和處理,所以在輸入數位訊號到DSP晶片之前,一般會使用類比到數位轉換器(ADC)將原始的類比訊號轉換為數位形式,以便在DSP晶片上進行後續的處理和分析。

  • 運算引擎: 在數位訊號處理晶片中,運算引擎是晶片的核心,它負責執行各種數學計算和演算法來處理資料;這些演算法通常是儲存在晶片的程式記憶體中,可以根據不同的應用需求而有所不同,並且可以透過程式記憶體來進行設定和更新。

  • 輸入/輸出: DSP晶片可能具有多種不同類型的連接埠,包括串行埠 (serial ports)、定時器、主機埠 (host ports)、外部埠 (external ports)、LINK埠和其他類型的連接埠;連接埠允許DSP與其他設備進行資料傳輸,例如:ADC或DAC轉換器;透過埠連接,DSP晶片也可以整合到更大的電腦系統中。

透過麥克風錄製的音頻以類比格式捕捉,在將其納入最終混音發布給聽眾之前,專業音效工程師將使用數位訊號處理技術對音頻進行處理。
透過麥克風錄製的音頻以類比格式捕捉,在將其納入最終混音發布給聽眾之前,專業音效工程師將使用數位訊號處理技術對音頻進行處理。

Image courtesy of Unsplash


數位訊號處理(DSP)與類比訊號有何不同?


現在我們已經談論了數位訊號處理的工作原理,你可能想知道DSP的各種應用和將類比訊號轉換為數位格式的真正價值;為了回答這個問題,我們需要更多地了解類比和數位之間的定義和差異。


類比訊號是一種連續的訊號,其時間變量類似於隨著時間變化的某種物理量,例如音調、電壓、或壓力;一個描述電壓隨時間變化的類比訊號,可能反映出+/- 120 V 的振幅,並且訊號在該範圍內表達所有值;相比之下,數位訊號將相同的電壓表示為一系列離散值,通常使用二進制編碼以供電腦使用。


類比和數位訊號包含相同的資訊,但以不同的方式格式化;類比訊號反映了我們生活在一個可以看到無數不同顏色、聽到無數音調,甚至嗅到無數氣味的現實世界;我們可以將這些資料轉換為以一和零的組合來表示每種顏色、氣味或聲音的數位格式;然後,我們可以編寫程式,借助數位訊號處理的幫助,以不同而有用的方式來操作資料。最後,我們可以將經過數位處理的資料重新轉換為類比形式,讓我們能夠聽到或看到結果。


為什麼要使用數位訊號處理 (DSP)?


為了展示數位訊號處理的多功能性和實用性,我們可以簡要探討數位訊號處理技術的一些應用範疇。


數位訊號處理在音訊處理中的應用


數位訊號處理技術在處理供人們聆聽或使用的音訊方面扮演重要角色。這包括音樂和語音等形式。


音樂錄製過程中,數位訊號處理用於產生最終混音,以優化對人耳的聽覺體驗;在錄音室中,各個音軌的軌道或聲道,也就是在錄音過程中所錄製的個別音源或聲音部分,皆以類比形式錄製,然後轉換為數位格式,便於調整音量、音調和其他特性;數位訊號處理能夠協助過濾、訊號加減(添加新聲音、或消除不需要的聲音)、編輯等處理。


同樣地,數位訊號處理也廣泛應用於電腦產生的語音應用,透過結合數位錄製技術和聲音合成技術,模擬人類的語音模式,使電腦能夠產生逼真的語音。


數位訊號處理在回聲定位(Echo Location)中的應用


數位訊號處理在現代雷達系統的運作中扮演著重要的角色;在雷達中,數位訊號處理可以用於壓縮脈衝式射頻訊號,提高對雷達檢測物體距離的準確性,數位訊號處理晶片還可以透過濾除雜訊,增加雷達系統的有效範圍,並且可以讓操作人員以不同形狀和長度發射射頻波脈衝,實現針對每個情況的脈衝優化。


結論


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