数字信号处理技术在电子信息工程中的应用 (1).pdf

2 5 6 2 0 2 4年2期2 0 2 4年第4 6卷第2期数字信号处理技术在电子信息工程中的应用李文迪作者简介:李文迪(2 0 0 2-),本科生,研究方向为数字信号处理。(吉林大学莱姆顿学院 长春1 3 0 0 1 2)摘 要 随着科技的快速发展,数字信号处理技术(D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s i n g,D S P)在许多领域得到了广泛的应用。在电子信息工程领域中,数字信号处理技术更是发挥着重要的作用。文中重点探讨了数字信号处理技术在电子信息工程中的具体应用,包括通信结构、集成电路、运动控制卡、短波通信等。关键词:数字信号处理技术;电子信息工程;应用中图分类号 T N 9 1 1.7 2A p p l i c a t i o no fD i g i t a l S i g n a lP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y i nE l e c t r o n i c I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n gL IW e n d i(L i m e t o nC o l l e g e,J i l i nU n i v e r s i t y,C h a n g c h u n1 3 0 0 1 2,C h i n a)A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y,d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y(D S P)h a sb e e nw i d e l yu s e d i nm a n yf i e l d s.I nt h ef i e l do fe l e c t r o n i c i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g,d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e.T h i sp a p e r f o c u s e so n t h es p e c i f i ca p p l i c a t i o n so fd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i ne l e c t r o n i c i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g,i n c l u d i n gc o mm u n i c a t i o ns t r u c t u r e s,i n t e g r a t e dc i r c u i t s,m o t i o nc o n t r o l c a r d s,s h o r t w a v e c o mm u n i c a t i o n,e t c.K e y w o r d s D i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y,E l e c t r o n i c i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g,A p p l i c a t i o n0 引言我国电子信息工程起源于2 1世纪初期,当时主要用于管理高速公路,随后被推广至社会各行业,成为我国科学技术领域发展较为强劲的专业之一。但目前为止,我国电子信息工程的发展在很大程度上仍依赖于欧美国家的成果,技术、人才等问题长期限制着行业的进一步发展。因此,有必要通过研究数字信号处理技术在该领域中的应用,为电子信息工程的进一步发展做好铺垫。1 数字信号处理技术概述数字信号处理系统如图1所示。图1 数字信号处理系统数字信号处理技术是一种基于计算机或专用硬件设备的现代化技术。它通过对数字信号进行加工、变换、分析、识别、存储等,可实现信号的传输、处理和应用。数字信号处理技术的基本运行过程包括数字数据的采集、量化、编码、变换、滤波、解调、解码等1。其中,数字数据的采集,主要是将模拟信号转换为数字信号,以便计算机或专用硬件设备对其进行处理;量化指将模拟信号的连续取值离散化,以便计算机进行处理;编码主要是将数字信号转换为计算机或专用硬件设备能识别、处理的二进制数据;变换指对数字信号进行各种数学运算或逻辑运算,以实现信号的某种特性;滤波是数字信号处理中的一项重要技术,它可以对数字信号进行噪声抑制、平滑处理等,以提高信号的信噪比和抗干扰能力;解调指将数字信号从载体中还原出来,以便于进行处理和应用;解码则是将编码后的二进制数据还原成原始数字信号的过程。数字信号处理技术具有4个显著的特征,这使得其在现代通信、数据传输、广播影视、音频处理、图像处理、医疗电子、自动化控制等领域得到了广泛的应用。(1)高精度。数字信号处理技术可实现对信号的高精度处理,避免了模拟信号处理中,由于器件限制和失真而引起的误差。实践证明,数字信号处理技术的精度可达到小数点后数十位甚至更高。(2)高稳定性。数字信号处理技术不会受到环境温度、2 0 2 4年2期2 5 7 湿度、电源电压等的影响,具有很高的稳定性。(3)可重复性。数字信号处理技术可对同一信号进行多次处理,且处理结果一致,不会因处理次数的增加而出现失真的问题。(4)信息可加密。数字信号处理技术可通过加密算法对信号进行加密,保证信息的安全性。2 数字信号处理技术在电子信息工程中的应用原理 数字信号处理技术在电子信息工程中的实践应用,需以D S P系统为基础,其可以提取并转换文字、音频等内容信息,方便用户识别信息。经A/D,A S I C,D S P等的处理,系统采集到的信号会被存入存储器,完成互相转化后,实现数据传输。A S I C在这一环节中的主要作用是完成控制逻辑,生成混合信号。总之,D S P系统在数字信号处理技术中的应用,可使数据转换更加高效,确保信号与环境相匹配。利用微处理器输出的信号,用户最终可获得以合适形式、模式表示的信息。D S P系统的运行原理如图2所示。图2 D S P系统的运行原理3 数字信号处理技术在电子信息工程中的具体应用3.1 通信结构数字信号处理技术在通信结构中的应用,主要体现在以下几方面。(1)数字信号处理技术在数字调制解调方面发挥着重要作用。数字调制解调是数字通信系统中不可或缺的一部分,其主要作用是将模拟信号转换为数字信号,或将数字信号转换为模拟信号。在这一过程中,数字信号处理技术可对信号进行快速傅里叶变换(F F T)和逆傅里叶变换(I F-F T),以实现对信号频率特性的分析和提取。(2)数字信号处理技术在信道编码解码方面有着重要应用,可提高数字通信的可靠性。例如,线性分组码、循环码、卷积码等,都是常见的信道编码方案,而数字信号处理技术可实现对这些编码方案的编码和解码。(3)数字信号处理技术在信道估计方面也有着重要的应用。信道估计指通过已知的信道信息,对传输过程中的数字信号进行估计和预测的过程。由于信号在传输过程中会受到各种噪声和干扰的影响,因此需要对传输信号进行估计和预测,以提高信号的质量。而数字信号处理技术可通过最小均方误差(MM S E)算法、最大似然(ML)算法等,实现对传输信号的估计和预测。(4)数字信号处理技术在同步方面也有着重要的应用。“同步”是数字通信系统中的一个关键概念,它是指接收端正确地接收和理解了发送端发送的信号2。数字信号处理技术可通过各种算法,来捕获、跟踪发送和接收信号之间的时间关系,从而实现数字信号的正确接收和传输。例如,数字信号处理技术可通过相关器、匹配滤波器等算法实现对信号的同步和跟踪。数字信号处理技术在通信结构中的核心应用是数字上、下变频。上、下变频分别位于发送端与接收端。通信接收端的主要作用是对射频信号实施转换,使其从下变频转为中频信号,最终转变成零中频信号。下混频与滤波抽取皆是数字下变频的重要组成部分,前者经A D采样会变成数字信号,经A、D转换后实现采样,以获取数字信号的正交变量。3.2 集成电路数字信号处理技术在集成电路的设计和制造中有着广泛的应用。集成电路中包含大量的电子元件,而数字信号处理技术可对这些元件进行精确的控制和调节,实现对电路的优化设计。同时,数字信号处理技术还可对集成电路的性能进行检测和评估,以确保其工作性能和稳定性。整体来看,在集成电路的设计和制造中,数字信号处理技术的应用包括以下两点。(1)数字信号处理技术可实现对模拟电路的仿真和模拟。在电路设计和制造过程中,技术人员需要对电路进行仿真和模拟,以验证电路的正确性和可行性。数字信号处理技术可通过对电路进行数学建模,并采用各种数值计算方法,实现对电路的仿真和模拟。另外,技术人员还可应用各种优化算法,对电路参数进行优化设计,以提高电路的可靠性。(2)数字信号处理技术可实现对数字电路的设计和优化。数字电路是集成电路的重要组成部分,对其进行设计和优化,对于整个集成电路的性能和稳定性有着重要的影响。而数字信号处理技术可通过各种算法,实现对数字电路的高精度设计,如采用逻辑代数、门级网表等方法进行设计,并采用逻辑优化器、综合器等工具进行优化。此外,也可采用可编程逻辑器件(如F P G A,C P L D等)实现对数字电路的灵活设计和优化。3.3 运动控制卡运动控制卡是一种用于控制机械运动的专业控制器,它通过接收并处理来自上位机的指令信号,可输出对应的控制信号,以控制机械运动。在这一过程中,需要采集、处移动信息2 5 8 2 0 2 4年2期理和分析各种传感器信号,实现对机械运动的精确控制,如完成周边环境探测、避让障碍物等工作,并通过插值算法、滤波算法等,实现对机械运动的精确控制和调节,以满足各种应用场景的需求。数字信号处理技术在运动控制卡中的应用,主要有以下几方面。(1)信号采集和处理。运动控制卡需要采集各种传感器信号,如位置传感器、速度传感器、力传感器等。其需要对这些信号进行处理和分析,以实现对机械运动的精确控制。而数字信 号 处 理 技 术 可 通 过 采 样、量 化、编 码 等 处理,实现对传感器信号的高精度采集和处理。在数字信号处理技术的帮助下,运动控制卡数字信号处理程序间的连接将变得更加紧密。系统在运行过程中,可高效完成对角位移、运转速度、运动轨迹等的控制,达到理想的控制精度。(2)控制算法实现。运动控制卡需要对机械运动进行精确控制,这需要实现各种控制算法,如P I D控制算法、PWM控制算法、运动规划算法等。数字信号处理技术可通过程序实现这些算法,并对算法进行优化和改进,以提高机械运动的精度和稳定性3。(3)数据传输和控制输出。运动控制卡需要将采集到的传感器信号和经过处理后的控制指令传输到上位机或其他设备中,以实现对数据的实时监控和控制。数字信号处理技术可通过串口通信、网络通信等协议,实现对数据的快速传输,精确控制设备的输出。3.4 短波通信在短波通信中,数字信号处理技术也得到了广泛的应用。短波通信是一种常用的无线通信方式,其优点是通信距离远、传输速度快。然而,短波通信易受干扰,且传输质量不稳定。近年来,该领域的专家在积极尝试引入数字信号处理技术,以有效地解决这些问题,提高通信的可靠性和稳定性。数字信号处理技术在短波通信中的应用,主要体现在以下几方面。(1)信号数字化。在短波通信中,模拟信号的传输质量和可靠性往往较差。通过将模拟信号转换为数字信号,可实现对信号的高精度处理和传输。数字信号处理技术可利用A/D转换器,将模拟信号转换为数字信号,并进行数字信号 的 调 制 解 调、压 缩 解 码,提 高 模 拟 信 号 的 传 输质量4。(2)信道编码。短波通信信道往往会受到各种噪声和干扰的影响,为提高通信的可靠性,需要对数据进行信道编码。数字信号处理技术可利用线性分组码、循环码等编码方案,对数据进行编码,以增加数据的冗余度,提高通信的鲁棒性和可靠性。(3)信道估计与均衡。短波通信信道往往存在多径效应,常导致接收到的信号出现失真和干扰。数字信号处理技术可利用最小均方误差(MM S E)算法、最大似然(ML)算法等,实现对信道的估计和均衡,以补偿由于多径效应和干扰引起的失真,提高通信的质量和可靠性。(4)数据压缩。在短波通信中,需要传输大量的数据,通过数据压缩,可有效降低数据的传输量和存储量。数字信号处理技术可利用各种数据压缩算法,实现对数据的压缩和解压,如应用J P E G,MP E G等标准化的压缩算法,可大大减少数据的传输量和存储量。4 结语本文介绍了数字信号处理技术在电子信息工程中的应用。通过对通信结构、集成电路、运动控制卡、短波通信等领域的分析,可发现数字信号处理技术在电子信息工程中的应用具有广泛性和多样性。近年来,数字信号处理技术的发展,为电子信息工程带来了革命性的变革,未来它将继续为电子信息工程做出重要的贡献。在后续的实践中,还应加强对该技术的研究,进一步发挥其优势。参考文献1谷桐宇.电子信 息 工程 中数 字信 号 处理 技术 的 应用 探讨J.数字技术与应用,2 0 2 3,4 1(3):2 0-2 2.2祝钰翔.数字信号处理技术在电子信息工程中的应用研究J.信息与电脑(理论版),2 0 2 2,3 4(1 3):1 9-2 1.3张振宇.数字信号处理技术在电子信息工程中的运用与研究J.电子元器件与信息技术,2 0 2 1,5(1 2):1 9 5-1 9 6.4杜秀君,代艳霞.基于数字信号处理技术的电子信息工程应用研究J.电子元器件与信息技术,2 0 2 3,7(4):1 2 6-1 2 9.移动信息