數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processing），是以數(shù)字運(yùn)算方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換、濾波、檢測(cè)、估值、調(diào)制解調(diào)以及快速算法等處理的一門學(xué)科。數(shù)字信號(hào)處理具有高精度、高可靠性、可程序控制、可時(shí)分復(fù)用、便于集成化等優(yōu)點(diǎn)。
數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，就其所處理的信號(hào)的特點(diǎn)而言，可以分為語(yǔ)音信號(hào)處理和圖像信號(hào)處理。在通信工程領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用。例如，應(yīng)用數(shù)字濾波器取代通信設(shè)備中的模擬濾波器，可以使設(shè)備小型化，提高可靠性�？焖俑道锶~變換與多相濾波器可以實(shí)現(xiàn)多通道濾波器。應(yīng)用抽樣率變換濾波可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制、解調(diào)。應(yīng)用自適應(yīng)濾波可以實(shí)現(xiàn)信道均衡、回波抵消、天線陣波束形成等。應(yīng)用非線性濾波可以濾除圖象的噪聲干擾。所以說(shuō)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)通信技術(shù)的發(fā)展有著極為重要的作用。
廣義來(lái)說(shuō)，數(shù)字信號(hào)處理是研究用數(shù)字方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、濾波、檢測(cè)、調(diào)制、解調(diào)以及快速算法的一門技術(shù)學(xué)科。但很多人認(rèn)為：數(shù)字信號(hào)處理主要是研究有關(guān)數(shù)字濾波技術(shù)、離散變換快速算法和譜分析方法。隨著數(shù)字電路與系統(tǒng)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也相應(yīng)地得到發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。
下面介紹幾種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的常見應(yīng)用
1、數(shù)字濾波器
數(shù)字濾波器的實(shí)用型式很多，大略可分為有限沖激響應(yīng)型和無(wú)限沖激響應(yīng)型兩類，可用硬件和軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)。在硬件實(shí)現(xiàn)方式中，它由加法器、乘法器等單元所組成，這與電阻器、電感器和電容器所構(gòu)成的模擬濾波器完全不同。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)很容易用數(shù)字集成電路制成，顯示出體積小、穩(wěn)定性高、可程控等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)方法是借助于通用數(shù)字計(jì)算機(jī)按濾波器的設(shè)計(jì)算法編出程序進(jìn)行數(shù)字濾波計(jì)算。
2、傅里葉變換
1965年J．W．庫(kù)利和T．W．圖基首先提出離散傅里葉變換的快速算法，簡(jiǎn)稱快速傅里葉變換，以FFT表示。自有了快速算法以后，離散傅里葉變換的運(yùn)算次數(shù)大為減少，使數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)成為可能�？焖俑道锶~變換還可用來(lái)進(jìn)行一系列有關(guān)的快速運(yùn)算，如相關(guān)、褶積、功率譜等運(yùn)算�？焖俑道锶~變換可做成專用設(shè)備，也可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。與快速傅里葉變換相似，其他形式的變換，如沃爾什變換、數(shù)論變換等也可有其快速算法。
3、處理系統(tǒng)
無(wú)論哪方面的應(yīng)用，首先須經(jīng)過(guò)信息的獲取或數(shù)據(jù)的采集過(guò)程得到所需的原始信號(hào)，如果原始信號(hào)是連續(xù)信號(hào)，還須經(jīng)過(guò)抽樣過(guò)程使之成為離散信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到能為數(shù)字計(jì)算機(jī)或處理器所接受的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。如果所收集到的數(shù)據(jù)已是離散數(shù)據(jù)，則只須經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換即可得到二進(jìn)制數(shù)碼。數(shù)字信號(hào)處理器的功能是將從原始信號(hào)抽樣轉(zhuǎn)換得來(lái)的數(shù)字信號(hào)按照一定的要求，例如濾波的要求，加以適當(dāng)?shù)奶幚�，即得到所需的�?shù)字輸出信號(hào)。經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換先將數(shù)字輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)，再經(jīng)過(guò)保持電路將離散信號(hào)連接起來(lái)成為模擬輸出信號(hào)，這樣的處理系統(tǒng)適用于各種數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用，只不過(guò)專用處理器或所用軟件有所不同而已。
4、語(yǔ)音信號(hào)處理
語(yǔ)音信號(hào)處理是信號(hào)處理中的重要分支之一。它包括的主要方面有：語(yǔ)音的識(shí)別，語(yǔ)言的理解，語(yǔ)音的合成，語(yǔ)音的增強(qiáng)，語(yǔ)音的數(shù)據(jù)壓縮等。各種應(yīng)用均有其特殊問題。語(yǔ)音識(shí)別是將待識(shí)別的語(yǔ)音信號(hào)的特征參數(shù)即時(shí)地提取出來(lái)，與已知的語(yǔ)音樣本進(jìn)行匹配，從而判定出待識(shí)別語(yǔ)音信號(hào)的音素屬性。關(guān)于語(yǔ)音識(shí)別方法，有統(tǒng)計(jì)模式語(yǔ)音識(shí)別，結(jié)構(gòu)和語(yǔ)句模式語(yǔ)音識(shí)別，利用這些方法可以得到共振峰頻率、音調(diào)、嗓音、噪聲等重要參數(shù)，語(yǔ)音理解是人和計(jì)算機(jī)用自然語(yǔ)言對(duì)話的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。語(yǔ)音合成的主要目的是使計(jì)算機(jī)能夠講話。為此，首先需要研究清楚在發(fā)音時(shí)語(yǔ)音特征參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，然后利用適當(dāng)?shù)姆椒M發(fā)音的過(guò)程，合成為語(yǔ)言。其他有關(guān)語(yǔ)言處理問題也各有其特點(diǎn)。語(yǔ)音信號(hào)處理是發(fā)展智能計(jì)算機(jī)和智能機(jī)器人的基礎(chǔ)，是制造聲碼器的依據(jù)。語(yǔ)音信號(hào)處理是迅速發(fā)展中的一項(xiàng)信號(hào)處理技術(shù)。
5、圖像信號(hào)處理
圖像信號(hào)處理的應(yīng)用已滲透到各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。譬如，圖像處理技術(shù)可用于研究粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡、生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、地貌的狀態(tài)、氣象云圖的分析、宇宙星體的構(gòu)成等。在圖像處理的實(shí)際應(yīng)用中，獲得較大成果的有遙感圖像處理技術(shù)、斷層成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和景物分析技術(shù)等。根據(jù)圖像信號(hào)處理的應(yīng)用特點(diǎn)，處理技術(shù)大體可分為圖像增強(qiáng)、恢復(fù)、分割、識(shí)別、編碼和重建等幾個(gè)方面。這些處理技術(shù)各具特點(diǎn)，且正在迅速發(fā)展中。
6、振動(dòng)信號(hào)處理
機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的分析與處理技術(shù)已應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、船只、機(jī)械設(shè)備、房屋建筑、水壩設(shè)計(jì)等方面的研究和生產(chǎn)中。振動(dòng)信號(hào)處理的基本原理是在測(cè)試體上加一激振力，做為輸入信號(hào)。在測(cè)量點(diǎn)上監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)。輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之比稱為由測(cè)試體所構(gòu)成的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（或稱轉(zhuǎn)移函數(shù)）。根據(jù)得到的傳遞函數(shù)進(jìn)行所謂模態(tài)參數(shù)識(shí)別，從而計(jì)算出系統(tǒng)的模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼等主要參數(shù)。這樣就建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)而可以做出結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些工作均可利用數(shù)字處理器來(lái)進(jìn)行。這種分析和處理方法一般稱為模態(tài)分析。實(shí)質(zhì)上，它就是信號(hào)處理在振動(dòng)工程中所采用的一種特殊方法。
7、地球物理處理
為了勘探地下深處所儲(chǔ)藏的石油和天然氣以及其他礦藏，通常采用地震勘探方法來(lái)探測(cè)地層結(jié)構(gòu)和巖性。這種方法的基本原理是在一選定的地點(diǎn)施加人為的激震，如用爆炸方法產(chǎn)生一振動(dòng)波向地下傳播，遇到地層分界面即產(chǎn)生反射波，在距離振源一定遠(yuǎn)的地方放置一列感受器，接收到達(dá)地面的反射波。從反射波的延遲時(shí)間和強(qiáng)度來(lái)判斷地層的深度和結(jié)構(gòu)。感受器所接收到的地震記錄是比較復(fù)雜的，需要處理才能進(jìn)行地質(zhì)解釋。處理的方法很多，有反褶積法，同態(tài)濾波法等，這是一個(gè)尚在努力研究的問題。
8、生物醫(yī)學(xué)處理
信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)方面主要是用來(lái)輔助生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論的研究和用于診斷檢查和監(jiān)護(hù)。例如，用于細(xì)胞學(xué)、腦神經(jīng)學(xué)、心血管學(xué)、遺傳學(xué)等方面的基礎(chǔ)理論研究。人的腦神經(jīng)系統(tǒng)由約 100億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞所組成，是一個(gè)十分復(fù)雜而龐大的信息處理系統(tǒng)。在這個(gè)處理系統(tǒng)中，信息的傳輸與處理是并列進(jìn)行的，并具有特殊的功能，即使系統(tǒng)的某一部分發(fā)生障礙，其他部分仍能工作，這是計(jì)算機(jī)所做不到的。因此，關(guān)于人腦的信息處理模型的研究就成為基礎(chǔ)理論研究的重要課題。此外，神經(jīng)細(xì)胞模型的研究，染色體功能的研究等等，都可借助于信號(hào)處理的原理和技術(shù)來(lái)進(jìn)行。
信號(hào)處理用于診斷檢查較為成功的實(shí)例，有腦電或心電的自動(dòng)分析系統(tǒng)、斷層成像技術(shù)等。斷層成像技術(shù)是診斷學(xué)領(lǐng)域中的重大發(fā)明。X射線斷層的基本原理是X射線穿過(guò)被觀測(cè)物體后構(gòu)成物體的二維投影。接收器接收后，再經(jīng)過(guò)恢復(fù)或重建，即可在一系列的不同方位計(jì)算出二維投影，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理即取得實(shí)體的斷層信息，從而大屏幕上得到斷層造像。信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用正處于迅速發(fā)展階段。
數(shù)字信號(hào)處理在其他方面還有多種用途，如雷達(dá)信號(hào)處理、地學(xué)信號(hào)處理等，它們雖各有其特殊要求，但所利用的基本技術(shù)大致相同。在這些方面，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)起著主要的作用。
