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05 chapter5 Digital Signal Processing.pptx

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本课件先说明数字信号处理的对象与优势:模拟信号经传感器采集、采样与量化转换为数字信号后由数字滤波器处理;随后讲解低频高频信号、频谱与滤波器系数的含义,最后列举语音识别、音乐处理、调制解调、蜂窝电话与音视频传输中的DSP应用。

第05章数字信号处理章节封面页,标示本章主题与所属课件的内容范围
5.1 Signals and英文原文页,5.1 Signals and Systems 1 Com put ers operate on
5.1 信号与系统英文原文页,At the heart of DSP lie the signal stobe processed 3
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第1页:第05章数字信号处理封面

数字信号处理:章节封面,标示本章主题与内容范围。

第2页:5.1 Signals and

  • 5.1 Signals and Systems 1
  • Com put ers operate on digital sign als. As com put ers proliferate, the need for efficient hand ling of digital signal sincreases. Furthermore, high speed process ing capabilities of modern computer sat tract application sthatusedigitalsignals, which further drive sthedevelopmentof digital signal techniques. Digital signal process ing, or DSP, is essential to 2 an enormous variety of old and newapplications

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第3页:5.1 信号与系统

At the heart of DSP lie the signal stobe processed 3. Signal sarevariations that carry information from one place to another. The outside world, for example, prov ides variation sin pressure or light intensity that human scan perceive. Change sin pressure at the eardrum are heard assounds. Variation sin light intensity att here tina ares eenasimages. These signal sareanalogsignals. They can take any value fro macon tinuumof value san dare define date very instant of time. Sound sareone-dimensional analog sign als:Thesize, or amplitude, of pressure variation schanges with time. As another example, the voltage available fro man electrical outlet in North America variessmoothly from itsminimumtoits maximum andbacktoits minimum again,60 timesper second

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第4页:5.1 信号与系统

In order to process sign als, they must first becaptured. Sound sign als, for example, are acquire dusinga micro phone, which convert sac oust icsignalsinto electrical sign als. Images, on the other hand, are capture dusingananalogor digital camera. In analog came ras, light sign als control chemical react ionsona photo graphic film. In digital came ras, light sign als from object sin view create charge packet sthatareconvertedinto electrical signal sonatwo-dimensional grid. These electrical signalsare, like the light signal sthatproduced them, ana login nature. Because they carr yin format iona tan infinite number of level sand point sin time, analog signal sarenotsuitedto computer process ing. They must be sample dan dconvertedinto digital form before they can be processed. Digital signal sareperfectly suited for computer process ing because the yare defined aton lya finite number of level sand point sin time

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第5页:5.1 信号与系统

Both analog and digital signal sarep resent inmost digital process ingsystems. Analog signal sat the in putto the system are converted to digital form for process ing. Afterproces sing, signal sin digital for mare converted back to analog form for output. Itisthe process ing stage, whereon ly digital signal sexist, that the flexibility and speed of DSP are realized. Asystemanalyzes, comb ines, modifies, records, orplaysbacksignals. Anim age compression system, for example, recodesdigita lima gesso they occupy less memory space and therefore take less time to transmit through the Internet. Aspeechre cognition system is designed to understand human speech automatic ally. Adigital filter, to take another example, all ows certain signal frequencies top ass through the system while bloc kin goth ers. For digital sign als, the poss ibilitiesfor process ing are limitless. Any operation that is possible for number sis also possible for digital signal sand with specialized DSP hardware and software, the operation scan occur atli ghtingspeeds

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第6页:5.1 信号与系统

Digital system shave many advantage sover analog system. Analog system sarecircuitsconstruc ted from hardware component swhose proper tie scan vary quite wide lywithina manufacturer'stole rance 4. The proper tie scan also change with temperature, alter ing the circuit'sbehavior. In contrast 5, digital system sbehaveina predict able, repeatable way. Their behavior is almost complete lyunaffectedby these problems, because itismostly determined by software. For the same reason, digital system saremuch less affected by noise than analog syst ems. In addition, digital system saresmalle rand consume less power than their analog count erparts. Perhaps the great est advantage of digital technology is the flexibility that allow sade sign tobemodifiedbys imply changing afewlinesina program. Most analog redesign involve sbuildingnewcircuits from scratch

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第7页:5.1 信号与系统

Sight sand sound sfromthe world around us are analog sign als. In order to process these sign als, sensor stun edtothesignals'character isticsmustbe used. Sensor sexist fora vast array ofsignals. Micro phone sarecommonsoundsensors. Change sin light canbecapturedby semi conductor devi ceslikephotodiodes, photo trans istors, or CCD(charge-couple dde vice) chips, whose ability to carry current chan ges with incident light. Temperature can be measured bythermistors, semi conductor devi ces whose resistance chan ges with temperature, orbythermo coup les, consist ing of two dis similar metal sthatreactdifferently totem pera tureanddevelopa voltage difference. Accelerometer sareusedto measure acceleration. Other sensor sin cludestrainsensors, pressure sensors, andflowsensors

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第8页:5.1 信号与系统

The most common output for all of these sensor sis an electrical signal, voltage or current, proportion alto the signal being measured. It is this analog electrical signal that must be converted in to digital form. The value sthatthe signal may take between its minimum and maximum value sarenot restricted, and the signal has value sate very instant of time

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第9页:5.1 信号与系统

Analog-to-digital con version occur sintwosteps. The first step is sampling. Sampling instant snormallyoccurat regular interval scalledsamplingperiods. At each sampling point, the analog signal iss amp led, and the value of the signal is held steady until the next sampling point. This process is called sample and hold. The vertical dash edl ines mark the sampling point. Sampling must be fast enough to capture the most rapid change sin the signal being sampled. If sampling is too slow, important signal characteristic scan be lost, aproblem called alias ing. Note that thea ctofsamplingtakesa finite amount of time, called the acquisition time of the sampler

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第10页:5.1 信号与系统

The second ste pin the con version between an analog signalanda digital signal, which can begin at the completion of sample acquisition, is to quantize and digitize thea nalogva lues. The hold interval norm ally give sample time for this. Ass oonaspossibleafte reach sampling instant, the convert erse lectsthe quantization level that approx imatesthe sample-and-hold value as clos ely as possible and then as sig nsa binary digital code that identifiesthe quantization level. This comp let est he analog-to-digital con version process

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第11页:生词与短语:eardrum

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数字信号处理 生词与短语表
英文词条音标中文释义
eardrum[ˈiəˌdrʌm]鼓膜,耳膜
variation[ˌvɛəriˈeiʃən]变化,变动(的程度),(数量,水平等的)变化,变更,变异
retina[ˈretinə]视网膜
continuum[kənˈtinjuəm]连续统一体
instant[ˈinstənt]片刻,顷刻,刹那,瞬间,某一时刻
amplitude[ˈæmpliˌtu:d,-ˌtju:d](声音,无线电波等的)振幅,幅度,广大,广阔,充足,丰富
minimum[ˈminiməm]最低限度,最小量,极小量
maximum[ˈmæksiməm]最大值的,最大量的最大的量,体积,强度等

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第12页:生词与短语:acoustic

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数字信号处理 生词与短语表
英文词条音标中文释义
acoustic[əˈku:stik]声音的,听觉的,原声的,自然声的
predictable[priˈdiktəbl]可预言(预报)的,可预见的,可预料的
affect[əˈfekt]影响,对……有影响,对……起作用
involve[inˈvɔlv]使某事物成为必要条件或结果,需要,使参与,牵涉
scratch[skrætʃ]&,抓,搔,删掉
thermocouple[θə:məuˌkʌpl]热电偶
voltage[ˈvəultidʒ]【电】电压,电压量,伏特数•,加速表,加速计,加速仪,过荷指示器
vertical[ˈvə(r):tik(ə) l]垂直的,直立的,竖立的,纵的

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第13页:生词与短语:acquisition

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数字信号处理 生词与短语表
英文词条音标中文释义
acquisition[ˌækwiˈziʃ(ə) n]取得,获得,习得
quantization[ˌkwɔntaiˈzeiʃən]【物】量子化,分层
approximate[əˈprɔksimət]近似的,大概的
binary[ˈbainəri]二,双,复【化】二元的【数】二进制的

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第14页:课文注释(5.1 信号与系统)

本页为课文注释(Notes),讲解本节难句的句式与翻译处理。

  • Notes
  • 1.本节涉及数字信号处理领域,标题可译为:信号与系统
  • 2. is essential to对……是必要的;此句译为:数字信号处理(或简称DSP),对于许多应用来讲都是必需的。例句:Password sarethe first line of defense against intrude rs, so setting strong password sis essential to the security of your system.密码是抵御入侵者的第一道防线,因此设置强密码对于系统安全是绝对必要的
  • 3. liev.(抽象事物)存在,在于,有(……关系)。此句译为:DSP内部存在着要进行处理的信号

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第15页:5.1 信号与系统:拆句法

  • 4.翻译技巧:拆句法,即把一个长而复杂的句子拆译成若干个较短、较简单的句子,通常用于英译汉中。此句译为:模拟系统是由元器件搭建而成的电路,而元器件的特性在制造误差允许的范围内差异很大
  • 5. in contrast,相比之下。此句译为:相比之下,数字系统的工作具有可预测性和可重复性。例句:In contrast, American worker shave no choice but to "contribute" to Social Security, whether they like the deal or not.与之相比,美国的工人没有选择,不管他们愿意不愿意,他们只能“持续地”把钱投入社会保险

第16页:5.2 Digital Signal

  • 5.2 Digital Signal and Their Spectra 1
  • Any of the signal scan be converted in to digital form. In DSP, itisfrequently important to know what frequencies are present ina signal, inadditiontoits time-based behavior. It is common knowledge, for example, that female voice saregenerallyhig herp itch edthanmalevoices

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第17页:5.2 数字信号频谱

Low frequency signal sareconstantorchanges lowly overtime. They appear att hel eft end of the spectrum. High frequency sign als, on the other hand 2, change rapid lywithtime. They appear at the right end of the spectrum

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第18页:5.2 数字信号频谱

  • Digital filter sprovidea convenient mean stochangethenatureofa signal. The most common filter schangethe frequency characteristic sofa signal, letting some frequencies in the signal pass while bloc kin goth ers. Alow pass filter, for example, let slow frequencies through while bloc king high frequencies. Ahighpass filter does just the opposite. Abandpass filter allow sab and of frequencies top ass, while aba ndstopfilterallows all frequencies outside abandto pass 3
  • If alow pass filter were app lied to the sound sofa singing choir, the filter would tend to extract the bass voice sand block the soprano voices. Ahighpass filter would pass the soprano voice swhilebloc king, orattenua ting, thebassvoices

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第19页:5.2 数字信号频谱

Digital filter sareno thing more than equation sdefinedbyalistof filter coefficients 4. These equation sformpartofa digital filter program that accept sra wdataasinputand produce sfiltereddataas output. The beauty of such program sis that filter redesign does notrequirea hardware change:Changing filter behavior is accomplished by sim ply changing the list of filter coefficients. Digital filter program scan be implemented on any processor, but the yare implemented most efficient lyon hardware that isspeci ally designed to perform filter ing and other DSP operation sate norm ousspeeds 5. This DSP hardware enable sext rem ely complex task stobeper forme din negligible amount soft ime, which isthereasonitisso often found at the core of computation-intensive applications

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第20页:生词与短语:pitch、spectrum

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数字信号处理 生词与短语表
英文词条音标中文释义
pitch[pitʃ]扔,投,抛,掷
spectrum[ˈspektrəm]【物】谱,光谱,波谱,能谱,质谱
magnitude[ˈmæɡnitju:d]大小,积,广大,巨大,伟大,重大,重要性,量
domain[dəuˈmein](学问,活动等的)领域,范围
choir[ˈkwaiə(r)](教堂,学校的)唱诗班
soprano[səˈprɑ:nəu]【乐】女高音,高音部,女高音歌手,唱最高音者
equation[iˈkweiʒ(ə) n]【数】方程式,等式
enormous[iˈnɔ:(r) məs]巨大的,大量的,庞大的
ely[iksˈtri:mli]极端地,非常地
negligible[ˈneɡlidʒəb(ə) l]可以忽视的,不足取的,很小的,微不足道的

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第21页:课文注释(5.2 数字信号频谱)

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  • Notes
  • 1.本节涉及数字信号处理领域,标题可译为:数字信号及其频谱
  • 2. on the other hand从另一方面来说,相反,反之。同义词汇:on the contrary。低频信号是常量或随时间变化较慢的信号,在频谱的左端,而高频信号随时间变化较快,出现在频谱的右端
  • 3. low pass filter低通滤波器;high pass filters高通滤波器;band pass filter带通滤波器;band stop filter带阻滤波器。此句译为:低通滤波器使低频成分通过,阻碍高频成分;高通滤波器则相反。带通滤波器允许一定频带内的频率通过,而带阻滤波器则允许一定频带外的所有频率通过
  • 4. nothing more than,只不过。同义词汇:just, nothing but。此句译为:数字滤波器只不过是由一系列滤波器系数定义的方程
  • 5.转折语句,后一句为宾语从句。数字滤波程序可在任何处理器上实现,但在专门设计用来进行高速滤波或其他DSP处理的硬件上实现最有效

第22页:5.3 Applications of

  • 5.3 Applications of Fiber DSP 1
  • DSP has many exciting application sinawiderangeof fields, and then umber of application sgrows every year. What the application sha vein com monist hat the yare defined primarily by software, thatis 2, byalistof program inst ruction sthatexecuteona particular hardware platform. Inotherwords, the very same DSP hardware may bethe basis fora wide variety ofapplications. Among the most accessible are those application sthatoperateon familiar one-dimensional signal slikespeechor music

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第23页:5.3 DSP应用

Large vocab ulariesof continuous speech can be recognized us ing information from digital speech sign als. Most often, speech recognition method sarebase dona spectral analysis ofspeechsounds. Though this analysis can be time-con sum ing 3, fast DSP hardware makesreal-tim ere cog nit iona reality. The lar ger the population of user sofa speech recognizer, the more variable the speech and the more difficult the task. Greater vocabulary size also make sdi scrim ina tionbetweenwords more challenging. The AT&Ttelephonecompanyhas, for sever alyears, use daw ord-spotting technique for it sdi rectory assistance system. Word spotting help sop erato rsrespondmorequicklyby searching for number sand simple word sem bedded in continuous speech and then collat ing basic information about are quest

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第24页:5.3 DSP应用

Automatic voice recognition for radio control makeshands-free radio use possible injetcockpits, and similar technology allow sha nds-free use of cellular phone sinautomobiles. In complementary technology, advance dspeech synthesis programs generate natural-sounding speech for automobile warnings, telephone information message sand telephone banking. Indeed, advance dmodelsof human speech developed for speech synthesizer shave been used to produce DSP-based hearing aids that aretunedto compensate precis ely for an individual'sspecific hearing deficiencies

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第25页:5.3 DSP应用

DSP alsomakes contribution sin the area of music and other sou nds. Old recording sof music and audio track scan becleanedup byre moving click ing and buzz ing sound sin the background. Also, the sound sof musical instrument scan be clos ely cop ied for electronic synthesize rs. Combination so factual recording sand mathematic almodels produce high quality synthesis for many instr uments, including piano, violin, and flute

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第26页:5.3 DSP应用

Fantastic effectsare possible when DSP is app lied to imagery. Image scan be combined, aswhen Forrest Gumpwas digit ally addedtoafilmof President Nixon. Background speck ling can be removed by ave raging several picture soft he same scene. Movement can be detected by subtract ing one image from another of the same scene, highlight ing the place swherethetwoimages differ. Color map scan be altered, and contrast improved

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第27页:5.3 DSP应用

Incommunications, DSP play sse vera limp ortantroles, particular lyinsupportof cellular pho nes, digital mod ems, and audio and video trans mission techno log ies. Digital cellular telephone use DSP fort womaintasks:to code speech ascompactlyas possible while maintain ing intelligibility, and totransmitcoded speech reliably toareceiveracr ossa wireless radio frequency link 4. Voice cod ing algor it hms, called vocoders, match voice data toamodelof speech that require sonlyafew para met ers. These para met ers are transmitted to the receiver instead of the speech signal, where the parameter sareappliedtothe same model again tore cover area son able copy of the original voice data. Use ofvocodersdecreases dramatic ally the size of the trans mission sneededto support an individual call, providinga commensurate incr ease in the efficiency of the cellular network

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第28页:5.3 DSP应用

Since radio frequency link scan not support the trans mission of digital data directly, they must employa modulator. In one common scheme, quadrature amplitude modulation(QAM)5, sever albi tsofdigitaldataata time determine the amplitude and phase ofa sine wave that is transmitted int heir place. At the receiver, the amplitude and phase of the received signal are detect edbyade modulator before the original digital data maybe identified. The two main obstacle sto clean trans mission ofacallare signal fad ing and noise. Several str ategiesareusedto mitigate their effects

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第29页:5.3 DSP应用

For example, error code sthatcanbe checked by the receive rare append edtosome portion soft he transmitted data. Also, para met ers from different block sof speech are inter leave dwithone another tore duce the chance that the integrity of anent ire block will bede stroy edbya single burst of noise. Asa result of noise and fad ing, the received signal maybe quite unlike the transmitted sequence. To assist in signal recovery, akn own pattern ofbitsissometimes sent from the transmitter to the receiver to allow the receiver to estimate the characteristic soft hel ink and therefore have the great est chance of identify ing the bit sin the received signal correct ly

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第30页:5.3 DSP应用

Modem technology permit computer stocommunicateu sing ordinary telephone line so rte levi sion cable. Many oft heal go rit hms that permit data to be carrie dat very high rate son these media rel yon complex calculation sthatmustbe completed quick lytokeepup within coming data. Digital data must first becodedfor wired trans mission ina manner that giveshigh throughput andre liable detection. Telephone line impair mentslike noise, fading, and crosstalk can, however, introduce derrors. To saver etransmissions, error code scan bead dedtothe transmitted data that permit the receiver notonlyto detect but also tocorrecterrors

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第31页:5.3 DSP应用

As force llularphones, digital modem ssometimes exchange known signal sto monitor the quality oft hecommunications channel. Some modem scan even adjust their trans mission rate sin accordance with the quality of the line, to help error stoa minimum. In addition toc odin gand error control, modem scan apply compression tore duce thea mount ofdatatobe transmitted. In one compression scheme, for example, short code saresubstituted for the most common bitpatterns, code sthatarere placed by the original pattern sat the receiver. For secure trans missions, somemodems provide encryption capability as well

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第32页:5.3 DSP应用

Whether trans mission is wire dor wireless, the growth of the Internet hasoccasionedan enormous incr ease in the movement of audio andvideofiles. To save space and also trans mission time, compression str ate gie shave developed far beyond simple substitution alcodes. Video compressions chem esl ike MPEG(moving picture expert sgroup)5, for example, rel yon the fact that neigh boring frame sofa video sequence have very similar content. Instead ofc odin gall pixel sinallfr ames, the difference sbetweenframesarecoded. MPEG also incorporate san audio compression standard, MP 3, which exploit sthecharact eristic soft he human auditory system

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第33页:5.3 DSP应用

The result sof DSP can bead mire dandenjoyed without any knowledge of the underlying mathematics. Active analysis, filter ing, or trans formation ofsignals does, however, require some understanding ofthemaththatdr ives DSP

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第34页:生词与短语:accessible

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数字信号处理 生词与短语表
英文词条音标中文释义
accessible[əkˈsesəb(ə) l]可以进入的,容易理解的,能接近的
cockpit[ˈkɔkˌpit]战场,(戏院的)正厅,(军舰内的)伤兵室
complementary[ˌkɔmpliˈment(ə) ri]补充的,补足的,互补的【生】互配(力)的
synthesizer[ˈsinθəsaizə(r)]合成者,合成物【电】合成器,综合器•,助听器
obstacle[ˈɔbstək(ə) l]障碍(物),妨害,阻碍,干扰
exchange[iksˈtʃeindʒ]交换,互换
accordance[əˈkɔ:(r) d(ə) ns]一致,协调

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第35页:生词与短语:adj、execute

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数字信号处理 生词与短语表
英文词条音标中文释义
adj[ˌsʌbstiˈtju:ʃənəI]
execute[ˈeksiˌkju:t]实行,实施,执行,履行,贯彻,完成
dimensional[diˈmenʃənəl]尺寸的,空间的
quadrature[ˈkwɔdrətʃə]【物】正交,转象差,九十度相位差
flute[flu:t]【乐】长笛,长笛吹奏者,(风琴的)长笛音
fantastic[fænˈtæstik]空想的,异想天开的
speckle[ˈspek(ə) l]斑点,斑纹,加斑点,玷污,点缀
intelligibility[inˈtelidʒibiliti]可理解性,可理解的事物
vocoder[vəuˈKəudə]〈美〉语音编码机

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第36页:生词与短语:commensurate

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数字信号处理 生词与短语表
英文词条音标中文释义
commensurate[kəˈmenʃərət]相称的,相当的,能通约的,同量的,同样大小的
dramatically[drəˈmætikli]显著地,戏剧地
vocabulary[vəuˈkæbjuləri]词汇,单词集
identify[aiˈdentifai]验明(正身),鉴别,辨认,识别
calculation[ˌkælkjuˈleiʃ(ə) n]计算,计算法,推定,预测
encryption[inˈkripʃən]【计】加密

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第37页:课文注释(5.3 DSP应用)

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  • Notes
  • 1.本节涉及数字信号处理领域,标题可译为:光纤数字信号处理的应用
  • 2. thatis,插入语,即;就是;换句话说;同义词汇:that istosay, inotherwords。execute on,运行。此句可译为:更确切地说这些应用的共同之处就是它们主要由软件来确定,即由特定硬件平台上运行的一系列程序指令来确定
  • 3. time-con sum ing费时,花费大量时间的。构词类型:名词+动词-ing构成形容词。例如:peace-loving热爱和平的,下文中word-spotting译为字识别的。此句译为:尽管这种分析很费时,但快速DSP硬件可实现实时识别
  • 4.动词不定式作表语。实际上省略了The two main tasksareto…, andto…。此句译为:数字蜂窝电话中,DSP主要完成两方面的任务:在保证语音可识别的基础上,对语音进行尽可能的压缩编码;在无线传输中可靠地传输该编码的语音
  • 5. quadrature amplitude modulation(QAM)正交幅度调制。moving picture expert sgroup运动图像专家组

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第38页:5.1 信号与系统

  • 参考译文
  • 5.1信号与系统
  • 计算机所使用的是数字信号。随着计算机应用的普及,对数字信号进行高效处理的需求日益迫切,并且现代计算机的高速处理能力使数字信号得到广泛应用,进一步促进了数字信号技术的发展。数字信号处理(或简称DSP)对于许多应用来讲都是必需的
  • DSP内部存在着要进行处理的信号。信号是将信息从一处携带到另一处的变化。例如,外界具有人们可感受到的压力或光强度的变化,人们所听到的声音就是耳膜感觉到的压力变化,所看到的图像就是视网膜感受到的光强度变化。这些信号都是模拟信号,他们在任意时刻都有值,且可取连续值范围内的任意值。声音是一维模拟信号,压力变化的大小会随时间改变,还有,北美地区电线上的输出电压会在其最大值和最小值之间平滑变化,每秒60次

第39页:译文 5.1 信号与系统:要对信号

  • 要对信号进行处理,首先必须获取信号
  • 例如,声音信号可通过麦克风将声信号转变为电信号
  • 而图像可通过模拟或数字照相机来获得,在模拟照相机中,由光信号控制胶片上的化学反应;在数字照相机中,由视线物体的光信号产生电荷并将其转变为二维栅格上的电信号,这些电信号与产生它们的光信号不一样,自然也是模拟信号
  • 模拟信号可在任意时刻取值,并且具有无限多个电平,不适合计算机处理
  • 所以在处理前,必须对它们进行采样并将其转换为数字形式
  • 数字信号只在有限的时间点上取值,并且具有有限个电平,所以非常适合计算机处理

第40页:译文 5.1 信号与系统:数字形式的信号

  • 在大多数数字信号处理系统中数字信号和模拟信号二者都会出现
  • 系统输入端的模拟信号会被转换为数字形式进行处理,处理后,数字形式的信号再被转换为模拟信号进行输出
  • 灵活快速的DSP是在只存在数字信号的处理阶段实现的
  • 通过DSP系统可以对信号进行分析、合成、修正、记录或播放
  • 例如,通过图像压缩系统可以对数字图像进行再编码,以使图像占用的内存空间较少,并以较短的时间在网间传输
  • 语音识别系统用来自动识别人的声音
  • 再如,数字滤波器允许某些信号频率通过系统,而其他信号频率被滤除
  • 总之,数字信号的处理方式多种多样

第41页:译文 5.1 信号与系统:数字系统

  • 数字系统与模拟系统相比有许多优点
  • 模拟系统是由元器件搭建而成的电路,而元器件的特性在制造误差允许的范围内差异很大,且特性还会随温度改变,从而改变了电路的性能
  • 相比之下,数字系统的工作具有可预测性和可重复性
  • 由于数字系统主要取决于软件,所以它的性能几乎不受以上因素的影响
  • 因此,数字系统比模拟系统有更好的抗噪声性能
  • 此外,数字系统比模拟系统电路体积小、功耗低
  • 不过,数字技术的最大优势是它的灵活性较大,可通过简单地更改程序中的一些语句来修改设计,而对于大多数模拟系统而言,如果要重新设计,则往往需要重新搭建电路

第42页:译文 5.1 信号与系统:各种信号

  • 人们身边的声音和图像都是模拟信号。为了处理这些信号,就要用到相应的传感器。各种信号的传感器是不同的。麦克风是最普通的声音传感器;光的变化可通过半导体器件记录,包括二极管、光电晶体管以及CCD(电荷耦合器件)芯片,它们的载流能力会随着入射光而变化;温度可通过阻值随温度变化的热敏电阻、半导体器件测得,或利用热电偶测量,热电偶由两种不同的金属制成,两种不同的金属对温度的反应不同,从而形成电压;加速计用来测量加速度。其他传感器还有应力传感器、压力传感器和流量传感器
  • 这些传感器的输出通常是与被测信号成正比例的电信号(电压或电流)。模拟电信号必须转换成数字的形式。此信号可取其最小值和最大值之间的任意值,且在任意时刻均有值

第43页:译文 5.1 信号与系统:模数转换

  • 模数转换分两步进行。第一步是采样,采样时刻通常处在固定的间隔点上,这个间隔称为采样周期。在每一个采样点对模拟信号进行采样,且将该采样值保持到下一个采样点的过程称为采样保持。采样要足够快,以捕捉被采样信号中的最快变化;如果采样太慢,将丢失重要的信号特征,出现混叠。注意,采样也要占用有限的时间,称之为采样器的采集时间
  • 模数转换的第二步是对模拟值进行量化和数字化,这在采样完成后即可进行。在采样保持期间有足够的时间完成这一步。每个采样结束后,转换器会尽快选择与采样保持电平最接近的量化电平,然后分配一个二进制数字代码来标识这个量化电平,至此就完成了模数转换过程

第44页:5.2 数字信号及其频谱

  • 5.2数字信号及其频谱
  • 任何信号均可转换为数字形式。在DSP中,除了基于时间的变化外,通常还需要知道信号的频率。例如,众所周知,女性的音调通常比男性的高,但对于自动语音识别系统,语音中的准确频率分量非常重要。频谱是对信号中所含频率分量的描述,信号频率分量的重要性由该频率处的频谱幅度表示。频谱根据幅度随频率的变化画出,因此,频谱是信号的频域描述,通常用FFT(快速傅里叶变换)计算。低频信号是常量或随时间变化较慢的信号,在频谱的左端,而高频信号随时间变化较快,出现在频谱的右端

第45页:译文 5.2 数字信号频谱

  • 利用数字滤波器可便捷地改变信号的特性。最常用的滤波器可以改变信号的频率特性,让一些信号频率通过,而阻塞另一些信号频率。例如,低通滤波器使低频成分通过,阻碍高频成分;高通滤波器则相反。带通滤波器允许一定频带内的频率通过,而带阻滤波器则允许一定频带外的所有频率通过
  • 如果将低通滤波器应用于合唱中,则滤波器将提取男低音,而阻塞女高音;而高通滤波器将使女高音通过,而阻塞或衰减男低音

第46页:译文 5.2 数字信号频谱:数字滤波器

  • 数字滤波器只不过是由一系列滤波器系数定义的方程
  • 这些方程构成数字滤波器程序部分,由滤波程序接收原始数据,并且输出滤波后的数据
  • 这种程序的最大优点在于重新设计滤波器时不需要进行硬件方面的更改,只要简单地改变滤波器的系数表即可完成滤波器特性的修改
  • 数字滤波程序可在任何处理器上实现,但在专门设计用来进行高速滤波或其他DSP处理的硬件上实现最有效
  • 利用DSP硬件可在极短的时间内完成非常复杂的任务,因此经常将其作为计算量大的系统核心

第47页:5.3 DSP的应用

  • 5.3 DSP的应用DSP在许多领域都有惊人的应用,并且应用的数量与日俱增
  • 这些应用的共同之处就是它们主要由软件来确定,即由特定硬件平台上运行的一系列程序指令来确定
  • 换句话说,同样的DSP硬件可适用于多种不同的应用
  • 其中最常用的包括对一维信号(语音或音乐)的处理及对二维信号(图像)的处理

第48页:译文 5.3 DSP应用

  • 利用数字语音信号中的信息可以识别连续语音中的大量词汇
  • 通常,语音识别方法是基于语音的频谱分析的
  • 尽管这种分析很费时,但快速DSP硬件可实现实时识别
  • 语音识别器的用户越多,声音变化越大,工作就越困难
  • 较长的词汇也会使得单词间的辨认变得更困难
  • 几年来,AT&T电话公司已将单词辨认技术用于查号系统
  • 单词辨认技术通过寻找连续语音中的号码和简单单词整理出所请求的基本信息
  • 利用无线电控制的自动语音识别系统可在喷气式飞机驾驶舱内实现自动的无线电操作

第49页:译文 5.3 DSP应用

  • DSP在音乐和其他声音处理方面也有很大贡献。对旧的音乐录音带可进行清洗,去除背景中的咔哒及嗡嗡声。同样,许多乐器的声音可复制下来用于电子合成器中。将真实录音与数学模型结合起来可对许多乐器进行高质量的合成,包括钢琴、提琴、笛子等
  • 将DSP应用于图像处理中可产生奇异的效果。对图像可以进行组合,如在尼克松总统的纪录片中添加一个阿甘的角色。背景中的斑点可以通过平均同一场景的几幅图片而去除。运动可以通过同一场景中的一幅图像减去另一幅图像来检测,突出两幅图像间的不同之处。可以修改彩色图像,改善对比度

第50页:译文 5.3 DSP应用

  • DSP在通信领域中也有许多重要作用,尤其是在蜂窝电话、数字调制解调和视频与音频传输这些方面
  • 在数字蜂窝电话中,DSP主要完成两方面的任务:在保证语音可识别的基础上,对语音进行尽可能的压缩编码;在无线传输中可靠地传输该编码的语音
  • 语音编码算法将语音数据对应为仅需少数参数的语音模型
  • 传输时只传输这些参数而不是语音信号本身,接收端再将这些参数用于相同的模型而再现原语音信号
  • 声码器的应用使得单个呼叫所需的传输量大大减少,从而提高了蜂窝电话网的效率

第51页:译文 5.3 DSP应用:一个常用的方法

  • 由于无线传输不支持数字信号的直接传输,所以必须使用调制器
  • 一个常用的方法是正交幅度调制,每次使用数字信号的几个比特决定要传输的正弦信号的幅度和相位
  • 接收端接收到的信号的幅度和相位在原始数字数据被识别出来之前由解调器检测出来
  • 呼叫无差错传输的两个障碍是信号衰落和噪声,可采用几种方法来减轻它们的影响
  • 例如,将在接收端检查出来的误码添加到传输数据的某个部分
  • 同样,不同组的语音参数相互交替,可以降低整个组被单个突发噪声破坏的可能性
  • 噪声与衰落的后果使得接收到的信号与所发信号相差甚远
  • 为了将信号恢复,有时在发送端发送一组已知的比特流至接收端,接收端可据此估计链路的特性,从而尽可能正确地识别出接收信号中的比特

第52页:译文 5.3 DSP应用:现代技术

  • 现代技术使计算机可以通过普通电话线或电视电缆进行通信
  • 在这些介质上高速传输数据的算法计算复杂,但计算速度要快,以便跟上输入的数据
  • 对于大吞吐量及可靠检测的有线传输,首先必须对数字数据进行编码
  • 电话线损坏会产生误码
  • 为了避免重发,可将纠错码加在传送数据中,使接收端不仅可以检测误码,还可以纠错
  • 对于蜂窝电话,数字调制解调器有时可互传已知信号以监控信道质量
  • 有些调制解调器甚至可以根据线路质量来调整其传输速率,以减少误码
  • 除编码和误码监控外,调制解调器可通过压缩来减少传输的数据量

第53页:译文 5.3 DSP应用:压缩技术

  • 无论是有线传输还是无线传输,因特网的迅速发展引起了视频和音频文件的传送量急剧增大。为了节省空间和传输时间,压缩技术已远不是简单的替换代码。例如,视频压缩技术就是根据视频图像中相邻帧之间的差别很小这个规律,通过不对所有帧的所有像素进行编码,只对相邻帧的差值进行编码实现压缩的。MPEP也提供了音频压缩标准(MP 3),它根据人的听觉系统的特点,对被其他声音所掩盖的声音、过强的声音和低于听力阈值的弱音都不予编码。压缩后的音频仍可产生CD音质的声音
  • 即使没有任何数学基础,也可以欣赏DSP的处理效果。然而要进行信号分析、滤波和传输则需要学习一些关于DSP的数学知识
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