概述

        所謂信號(hào)處理是指對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、變換、分析、加工、提取特征參數(shù)等的過(guò)程。在電子儀器和測(cè)量中，zui典型的是用頻譜分析儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從而了解和取得信號(hào)的頻率（或頻譜）特性。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和相關(guān)的技術(shù)發(fā)展起來(lái)以前，這一過(guò)程只能用以硬線技術(shù)構(gòu)成的傳統(tǒng)的頻譜分析儀實(shí)現(xiàn)。*，這種傳統(tǒng)的頻譜分析儀，無(wú)論在設(shè)計(jì)制造還是所采用的元器件方面，都要求較高的水平。尤其是頻率范圍寬、指標(biāo)高的，設(shè)計(jì)制造的難度就更高，而其價(jià)格也非常昂貴。但是，自從計(jì)算機(jī)及隨之而興起的數(shù)字信號(hào)處理（即DSP〉技術(shù)日趨成熟和發(fā)展起來(lái)以后，解決信號(hào)頻譜分析的途徑，正在逐步由DSP所取代。

        關(guān)于離散傅立葉變換和數(shù)字濾波

       作為信號(hào)處理，和頻譜分析zui直接相關(guān)的是傅立葉（Fourier）變換即FT。人們已經(jīng)熟知，離散傅立葉變換（即DFT）和數(shù)字濾波是DSP的基本內(nèi)容。目前，DFT已有許多實(shí)用有效的快速DFT算法即FFT算法和軟件，其性能主要決定于采樣（實(shí)際上還包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換）率和CPU的運(yùn)算速度。將任意信號(hào)（主要是反映客觀物理世界的各種變化量，而且多半是連續(xù)變化的模擬量）轉(zhuǎn)換為能夠由CPU處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)這一過(guò)程稱(chēng)為“數(shù)字化”，它包括采樣和量化兩個(gè)步驟，量化即通常所說(shuō)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。采樣的速率和被處理的信號(hào)有關(guān)。為了保證數(shù)字化后的信號(hào)數(shù)據(jù)不喪失原信號(hào)的特性，采樣頻率應(yīng)大于或至少等于信號(hào)截止頻率的2倍。這就是的奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，或稱(chēng)奈奎斯特采樣率。奈奎斯特采樣定理是很容易證明的。至于CPU的運(yùn)算速度，*，現(xiàn)在的微機(jī)已達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫的水平。為了提高或?qū)崿F(xiàn)主要是FFT等運(yùn)算的高速化，美國(guó)得州儀器公司（IT）很早開(kāi)始就一直致力于的DSP芯片的研制和生產(chǎn)。TMS320系列芯片已為科技界所熟知。據(jù)zui近報(bào)道，新的TMS320C64x的運(yùn)行速度己高達(dá)600MHz，其內(nèi)核的8個(gè)功能單元能在每個(gè)周期同時(shí)執(zhí)行4組16位MAC運(yùn)算或8組8位MAC運(yùn)算。單個(gè)C64xDSP芯片能同時(shí)完成一個(gè)信道的MPEG4視頻編碼、一個(gè)信道的MPEG4視頻解碼和一個(gè)MPEG2視頻解碼，并仍有50%的余量留給多通道語(yǔ)音和數(shù)據(jù)編碼、自然，還有其他一些廠商也研制生產(chǎn)了不少品種或通用的DSP芯片。

        在上一個(gè)世紀(jì)中，電濾波器的發(fā)展經(jīng)歷了從無(wú)源到有源和從模擬到數(shù)字兩個(gè)過(guò)程。高精度無(wú)源濾波器從設(shè)計(jì)到制造都是難度非常高的技術(shù)。有源濾波器雖然很大地改進(jìn)了濾波器的性能，也降低了一些制造工藝的難度，但從其性能的大幅度改進(jìn)，與其它信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)的手段之便捷，還是要數(shù)數(shù)字濾波器*。當(dāng)然，這和EDA技術(shù)的發(fā)展也有關(guān)系。

         數(shù)字濾波器是一種離散系統(tǒng)，其特性或傳遞函數(shù)由以Z-變換為基礎(chǔ)的差分方程描述。數(shù)字濾波器分兩大類(lèi)，即IIR有限脈沖響應(yīng)濾波器和FIR無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器。前者又稱(chēng)為“遞歸式”濾波器，后者又稱(chēng)為“非遞歸式”濾波器。人們可以根據(jù)對(duì)信號(hào)處理的要求，確定描述系統(tǒng)的差分方程，再根據(jù)差分方程設(shè)計(jì)出濾波器。濾波器的實(shí)現(xiàn)也有兩種方式，一種為純軟件方式，即成為一個(gè)算法軟件或軟件包;另一種為硬件方式，即設(shè)計(jì)成具體的硬線電路，甚至制成或通用的芯片。關(guān)于數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法和成熟的軟硬件產(chǎn)品，都不難獲得。這里不再詳述。

        信號(hào)的其它正交變換

        已知，傅立葉變換或傅立葉分析隱含這樣的意義：

       EP一個(gè)信號(hào)是由其FT所得頻譜上各分量所代表的正弦波合成的。在這個(gè)意義上，我們把表示這些正弦波一組正交的正弦函數(shù)稱(chēng)為傅立葉變換的正交基函數(shù)（也可以用復(fù)函數(shù)的形式表示）。研究表明，不僅正弦函數(shù)可以作為正交變換的基函數(shù)，而是只要滿足正交完備的函數(shù)系，都可以作為基函數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行正交變換分解分析（正弦函數(shù)自然是正交完備的函數(shù)系）。因此，我們把這些變換籠統(tǒng)地稱(chēng)為“正交變換”。實(shí)用中zui使人感興趣的非正弦正交函數(shù)有雷德梅徹（Rademacher）函數(shù)、哈爾（Haar）函數(shù)和沃爾什（Wald）函數(shù)等。一段時(shí)期以來(lái)，用得zui多的當(dāng)屬沃爾什函數(shù)，它是由沃爾什在1923年完備化的雷德梅徹函數(shù)。沃爾什函數(shù)是一組矩形波，其取值為1和-1，非常便于計(jì)算機(jī)運(yùn)算。沃爾什函數(shù)有三種排列或編號(hào)方式，即按列率排列或沃爾什排列、佩利（Paley）排列和阿達(dá)瑪（Hadamard）排列。這三種排列各有特點(diǎn).而以阿達(dá)瑪排列zui便于快速計(jì)算。采用阿達(dá)瑪排列的沃爾什函數(shù)進(jìn)行的變換稱(chēng)為沃爾什-阿達(dá)瑪變換，簡(jiǎn)稱(chēng)WHT或直稱(chēng)阿達(dá)瑪變換。由于離散正交變換的運(yùn)算常以矩陣乘法的方式完成，而沃爾什-阿達(dá)瑪函數(shù)組的矩陣形式只有1和-l兩種元素，同時(shí)這種阿達(dá)瑪短陣的規(guī)律性非常強(qiáng)，可以用簡(jiǎn)單的算法產(chǎn)生，所以WHT的快速算法很容易實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，這種快速算法及其軟件已經(jīng)有很成熟的商品。當(dāng)然，在使用這種變換時(shí)我們必須記住，它所得出的譜是以短形波為基礎(chǔ)的。

         另一種常用的正交變換是離散余弦變換DCT。已知，傅立葉變換的基函數(shù)是正弦函數(shù)，即其每一個(gè)分量是一個(gè)正弦波（或一個(gè)復(fù)向量）分量的次數(shù)決定該正弦波的頻率，而各個(gè)分量的相位則構(gòu)成信號(hào)的相位譜。也就是說(shuō)，一個(gè)信號(hào)的傅立葉譜包括兩部分，一是幅度特性，一是相位特性;或者作為復(fù)向量的實(shí)部余弦分量和作為虛部的正弦分量。換句話說(shuō)，僅僅幅度特性譜并不能完整地代表該信號(hào)，而必須補(bǔ)克相位特性才是完整的。這當(dāng)然既使表示和運(yùn)算處理復(fù)雜化，又使表示信號(hào)的數(shù)據(jù)量加大。經(jīng)過(guò)研究表明，如果將信號(hào)坐標(biāo)的原點(diǎn)作適當(dāng)?shù)钠?，就可以使變換后的結(jié)果，只存在正弦波的正弦分量或余弦分量二者中的一個(gè)。這就是正弦變換或余弦變換。信號(hào)處理中的離散余弦變換DCT，就是將信號(hào)坐標(biāo)的原點(diǎn)左移半個(gè)采樣間隔得到的。DCT具有很優(yōu)良的信息特性.且有有效的快速算法，所以在制定MPEG標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將它定為圖像壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)變換。

        zui后，順便提一下離散K-L（KarhunenLover）變換。KLT通常被稱(chēng)為*變換，因?yàn)椴捎肒LT的濾波器和信息壓縮編碼失真zui小。但由于KLT的變換基函數(shù)是不定的，而且至今沒(méi)有快速算法，所以只在特殊需要的場(chǎng)合才使用。