第六单元 数字信号处理 6.1 DSP典型应用

回声定位领域的应用
    获取遥远物体信息的一种常见方法是向其发送一种波。例如：雷达发射无线电脉冲，检测飞行物的回波信号。声纳发送声波来检测潜艇和其它水下物体。地球物理学家一直采用“爆炸并侦听深层岩石回声”的方法探测地球。尽管这些应用有共同之处，但也存在各自的难题和需求。DSP大大改变了上述领域。
雷达
    雷达即“无线电检测和定位”。在最简雷达系统中，无线电发射机产生几微秒的射频脉冲。该脉冲馈入高度定向天线，无线电波以光速传播出去。在无线电波路径范围内的飞行物将一小部分能量朝位于发射场地附近的接受天线反射回去。利用发射脉冲和接受回波之间的时间差可以计算出来物体的距离。物体的方向也容易确定：当接收到回波时，你是知道定向天线的方向的。
    雷达系统的工作范围由二个参数决定：脉冲能量和接收机噪声电平。提高脉冲能量往往要加长脉冲。脉冲加长会降低“逝去时间测量”精确度。这导致了以下二个参量的矛盾：远距离检测物体的能力和精确测量物体距离的能力。
    DSP在以下三个领域（全部和基本问题有关）大大改变了雷达系统。首先，DSP可以对接受到脉冲进行压缩，这在不降低工作距离的前提下提高了距离测量精确度。第二，DSP对接收到的信号滤波以降低噪音，这么做可以在不降低距离测量精确度的前提下，增大了测量距离。第三，DSP能迅速选择、生成不同形状和长度的脉冲。这允许为特定检测问题进行脉冲优化。需要注意:这一切大多要以射频（几百兆赫）采样率完成。对雷达而言，DSP的高速硬件设计和算法设计同等重要。
声纳
    声纳是“声波导航和测距”。声纳分为有源和无源两类。有源声纳发射2kHz到40kHz的声波，检测回波并分析之。有源声纳的用途包括海底物体的检测和定位，导航，通信，海底绘图。其最大工作范围是10~100公里。无源声纳仅仅侦听水下声音。其应用包括洋流、海底生物、潜艇或海上舰只机械声音的监测。由于无源声纳不发射能量，它适于隐秘工作。你可以监测对方，而对方监测不到你。无源声纳最重要的应用是检测、跟踪潜艇的军事监控预警系统。无源声纳使用的频率要低于有源声纳，因为低频信号穿越水域时的吸收量低。检测范围在几千公里。DSP大大改变了声纳的许多方面：脉冲生成、脉冲压缩、检测信号滤波。从一方面讲，声纳比雷达简单，因为声纳频率低；从另一方面，声纳比雷达复杂，因为声纳工作环境不一致、不稳定。声纳系统通常采用发射和接收阵列，而不仅采用单一信道。通过正确控制和混合不同单元的信号，声纳系统可将发射脉冲调整到想要的位置，确定回波传来的方向。为了处理多通道信号，声纳系统需要和雷达同样大量的DSP计算能力。
反射地震学
    早在二十世纪二十年代，地球物理学家发现地壳结构可用声波进行探测。观测者引发爆炸、记录地表以下十几公里处地层的回声。回声地震图用人眼观看，并和地下结构进行对应。这种方式迅速成为探测定位石油和矿藏的主要方法，今天依然如此。理想情况下，送入地下一个声波脉冲会得到声波穿越地层而反射的一次回声。但情况往往没有这么简单。每一个返回到地表的回声都要穿越它发生之处以上的每一地层。这会引起地层间回声反弹，这会导致在地表检测到回声之回声。这些次级回声使得检测到的信号异常复杂且难于理解。从二十世纪六十年代开始，DSP广泛用于在反射地震图中分离回声和次级回声。早期地球物理学家没有DSP，他们是怎么解决这个问题的呢？答案很简单。他们在地质结构简单的地方观测，这些地方只有少量的多重反射。DSP允许在复杂的地点进行石油勘探，比如海底。
图像处理领域的应用
    图像是具备特殊之处的信号。首先，图像信号是以空间为参量，而多数信号是以时间为参量。第二，图像包含了大量信息。例如，一秒电视视频所需存储量超过10M。这个存储量是相同长度语音信号的1000多倍。第三，信号质量的最终评价往往是主观评价，而不是客观标准。这些特点使图像处理成为DSP的专门领域。
医学图像应用
    1895年，伦琴发现X射线可以穿越大量物质。通过观察人体内部，医学发生了巨大变化。几年后，医用X射线系统广泛应用于全世界。尽管获得了明显成功，医用X射线系统受四个问题的限制。直至二十世纪七十年代DSP及相关技术的出现。第一，人体结构相互重叠。例如，心脏的局部会被挡在肋骨后面。第二，相似的组织很难区分。例如，区分骨骼和软组织比较容易，而区分肿瘤和肝脏则不可能。第三，X射线图像显示的是人体结构切片，而不是身体运行的生理。活人的X射线图像和死人是一样的！第四，暴露在X射线中会引发癌症，要求用量要少而且正确使用。
    结构重叠的问题在1971年解决了，当时第一台计算机层析成像仪出现了。“计算机层析成像”（CT）是DSP的典型应用。X射线从不同方向穿越患者的检查部位。检测到的X射线不是直接形成图像，而是先转换为数字数据并存入计算机当中。这些信息用来计算显示为身体切片形式的图像。这些图像展示了比常规技术多得多的细节，为更好的诊断、治疗提供了条件。CT的影响几乎和X射线刚刚引入时的影响一样大。仅仅几年中，世界上每个大医院都使用CT机。1979年，CT技术的二位主要贡献者（豪森菲尔德和考麦克）分享了诺贝尔医学奖。这是DSP的成功应用！
    其余三个问题通过使用“穿越能量”（如无线电波和声波）而不是X射线解决了。在所有这些技术中，DSP均扮演着关键角色。例如，“核磁共振成像”（MRI）适用磁场配合无线电波来探测人体内部。恰当调整磁场强度和频率使身体局部的原子核在量子能量状态之间谐振。谐振会引发电磁波辐射，身体旁边的天线会接受到。检测信号的强度及其它特征提供了谐振区域附近的信息。调整磁场使谐振区域扫描身体不同部位，形成内部结构图像，和CT图像类似。除了能够对不同类型软组织进行区分之外，MRI还可以提供生理信息，例如动脉中的血流。MRI完全依赖DSP，否则无法实现。
空间图像
    有的时候，你不得不用一幅拍摄质量差的图像提取信息。这样的情形往往是从卫星或太空探测设备上得到图像。不可能为了操作相机旋钮而派遣维修人员去火星。DSP可以通过如下途径改善极端不利的条件下获取的图像质量：调整亮度和对比度，边缘检测，噪音去除，焦点调整，运动模糊去除等。存在空间变形的图像（例如，拍摄卫星球体的平面图像）可以变形为正确的表示。多幅图像也可以组合为一个数据库，使信息按照特殊方式显示。例如，一组视频序列可以模仿在遥远行星上空的飞行。
商用成像产品
    图像中的大量信息是向公众出售的量产产品的一大难题。商用系统应当便宜；然而，这和大存储量、高数据率相矛盾。解决这个二难问题的方法之一是图像压缩。和语音信号一样，图像中也包含着大量冗余信息，可以运行算法减少代表图像信息的比特数。电视等运动图像也适合进行压缩，因为帧间图像大多数相同。利用这项技术的商用成像产品包括视频电话、显示运动图像的计算机程序和数字电视。