信号处理系统的结构及在汽车领域的应用

信号处理系统的结构及在汽车领域的应用

姓名： 学号： 信号处理系统 一.信号处理简介 1.什么是信号处理 信号处理是研究用系统对含有信息的信号进行变换以满足人们想要的信号，进而达到提取信息、便于利用的一种科学。信号处理的内容包括滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等等一系列的加工处理。 2.模拟信号处理与数字信号处理 因为多数科学和工程中遇到的是模拟信号，所以以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。但是模拟信号处理很难做到高精度，其受环境影响较大，可靠性较差，当系统某一参数的改变时，其硬件电路常常需要做出较大改变，很不灵活。随着大规模集成电路以及数字计算机的快速发展，加上20世纪60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已经逐步取代了模拟信号处理。随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处理已经成为一门及其重要的学科和技术领域。

信号处理方式比较 比较内容 模拟方式 数字方式 修改设计的灵活性 修改硬件设计、更改硬件参数 更改软件程序

可靠性和稳定性 容易受环境温度、湿度、电磁干扰的影响 基本不受环境因素干扰

精确度 取决于元器件的参数精度 AD、DA的量化误差，处理器的运算位数

规模和复杂度 集成度低、电路规模小、很难实现稳定的复杂运算 集成度高、功能强、方便实现复杂的数据处理

实时性 实时处理 由处理器运算速度和 存储器存取速度决定

对高频信号的处理 可以处理微波、毫米波乃至光波信号 受A/D速度和处理器运算速度的限制

实现的典型算法 模拟加法器、减法器、乘法器、微分器、积分器；高通、低通、带通滤波 几乎能够实现所有的计算和算法 数字信号处理有一下一些明显的优点： 精度高：模拟网络的精度由元件决定，模拟器件的精度很难达到10-3以上，而数字系统只要14位字长的就能达到10-4精度。在高精度系统中有时只能使用数字信号处理系统。 灵活性高：数字系统的性能主要由乘法器的系数决定，而系数是存放在系数存储器重的，因而只要改变存储器的系数就可以得到不同的系统。 可靠性强：数字系统只有两个信号电平“0”和“1”，因而受周围环境温度及噪声的影响较小。 容易大规模集成：由于数字部件具有高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，对电路参数要求不严，因而产品成品率很高。 分时复用：处理器的运算速度越快，能处理的信道数目也就越多。 由于数字信号处理系统的诸多优点以及应用广泛，本文主要以数字信号处理系统的结构为主要内容进行介绍。

二.数字信号处理系统的基本结构 在数字信号处理系统处理信号之前，首先要把输入的模拟量信息转换为数字信号，然后用数字技术进行处理，最后再还原成模拟信号。数字信号处理的简单方框图如图1所示。

图1 数字图像处理的简单方框图 1.前置预滤波器（抗混叠滤波）：

根据奈奎斯特抽样定理，抽样频率必须大于两倍信号的最高频率，否则在抽样信号的频谱将出现混叠效应，抽样信号将不能还原出原信号。在实际系统中，输入信号中常常混有高频噪声，这些噪声使得抽样后信号的频谱出现混叠，不利于对原信号的复原，因此在进行A/D转换前需进行抗混叠滤波，将输入模拟信号中高于抽样频率一半的分量滤除。 2.A/D转换：

前置预滤波器（抗混叠滤波） A/D 数字信号处理芯片 D/A 模拟滤波 (平滑滤波)

模拟输入 模拟输出 在模拟数字变换器(A/D转换器)中每隔一个采样周期T取出一次输入模拟量的幅值，抽样后的信号称为离散时间信号，它只表示一些离散点0,T,1T,2T,3T……的信号值，这样的抽样过程其实就是对模拟信号的时间离散化过程。 3.数字信号处理过程： 经过A/D转换器的信号变为数字信号序列，数字信号序列被输入到数字信号处理器中，数字信号处理器按照预先的要求对其完成一些列的计算转化，最后变为人们希望的输出数据。 4.D/A转换： 由数字信号处理器输出的数字信号需通过D/A转换器，完成冲数字信号到模拟信号的转换，转换后的信号应在抽样点上与输入信号的幅值相同。 5.模拟滤波(平滑滤波)： 由D/A转换器输出的数字信号还要经过模拟滤波器，从而过滤掉一些不需要的高频噪声，平滑成所需要的模拟输出信号。

图1所示为数字信号处理基本框图，实际的系统不一定要包括它的所有部分。例如，有的系统只需要数字输出，可以直接以数字形式显示或打印，就不再需要D/A转换器了；又有一些系统本身输入的就是数字量，因而就不需要A/D转换器；纯粹的数字系统只需要数字信号处理器这一核心部分就行了。 图1中的数字信号处理器可以是数字计算机或者微处理器，通过软件编程对输入信号进行一种预期处理，这是一种软件实现的方法。另一种方法使用基本的数字硬件组成专用处理器或专用数字信号处理芯片作为数字信号处理器，这种方法的优点是可以进行实时处理，但由于是专用的，因此只能完成某一具体的加工处理，而不能完成其他类型的加工处理，这是它的缺点。第三种数字信号处理器就是现在最为流行的通用数字信号处理芯片它是专为信号处理设计的芯片，有专门执行信号处理算法的硬件，如乘法累加器、流水线工作方式、并行处理、多总线硬件等，并有专用的信号处理的指令。由于近年来信息技术的快速发展，数字信号处理芯片已经应用到了很多领域中。 常用数字信号处理芯片有两种类型，一种是专用DSP芯片，另一种是通用DSP芯片。 (1)专用DSP芯片：作为横向滤波器用的有INMOS公司的A100，PLESSY GEC公司的PDSP16256等，作为快速傅里叶变换用的有PLESSY GEC公司的PDSP16510，Austek公司的A41102；还有作为复乘-累加以及求模和相角等用的专用DSP芯片。 (2)通用DSP芯片：有TI公式的TMS320C1X/C2X/C2XX/C54X/C62X系列定点制DSP芯片，ADSP21020/2106X/21160浮点制DSP芯片，有AT&T公司的DSP32C/3210、DSP96002浮点制DSP芯片等芯片，其中我国用得最多的是TI公司和AD公司的产品。

数字信号处理在汽车领域的应用 数字信号处理已经渗透到当今汽车的各个角落，从引擎控制到娱乐系统。全球汽车年销售量迅速增长，对信号处理技术来说汽车应用是一个巨大的市场。本文将探讨汽车信号处理的四个应用领域：引擎和变速控制、安全和便利性、电动转向和刹车，以及“信息娱乐”。针对每一应用领域，我们分析现有和将来的信号处理技术应用，重点集中在几个值得特别关注的应用。我们也突出强调了这些应用背后的驱动力量，比如政府法规、成本压力，以及汽车制造商想标新立异的愿望。 引擎和变速控制 有几个原因促使信号处理在汽车引擎和变速控制方面的应用尤其普遍。欧美政府强制执行的空气净化法规迫使汽车制造商设计开发更为节能的引擎和变速装置。燃料使用效率对消费者也十分重要，特别是在油价高昂的地区。此外，消费者也希望得到强劲的性能。在满足这些需求的同时，汽车制造商也想降低成本及缩短设计周期。信号处理技术有助于实现所有这些目标。 1）引擎控制器 引擎采用电子控制已有多年历史。但直到最近，这些控制器主要依靠静态查找表来确定如何调整引擎参数。现今，引擎控制器采用了更为复杂的算法，比如那些用于检测引擎爆震音的算法。 “爆震”是指未受控制的燃料燃烧，它对尾气排放、燃烧效率和引擎寿命都有负面影响。以前，引擎控制器采用保守的预定义设置来防止爆震的发生。但是，引擎在处于爆震临界状态时工作效率才能达到最高，因此传统的办法限定了引擎的动力。为解决这一问题，现代的引擎控制器采用信号处理算法来检测爆震征兆，这样引擎就可工作于爆震临界状态。 控制器也开始采用差分方程对引擎行为进行建模。这些方程可让引擎控制器针对引擎状态微调其响应，而不是依靠事先设定的查寻表参数。采用行为建模的方法也可减少花费在引擎校准上的时间。采用查寻表方法时，校准需要在一系列条件下对引擎进行测试，这一过程要花费大量的时间和金钱。然而，对于一个基于行为建模的控制器，确定其参数仅需少量测试即可。 由于引擎控制器开始控制越来越多的引擎功能，其设计也变得越来越复杂。对于一个先进的引擎，其阀门由纯粹的机械系统所控制，但是阀门定时开始采用电子控制。将来的引擎可能全部采用电子阀门，每个阀门都由一个螺线管操纵。这些日趋复杂的控制需要额外的信号处理。 信号处理也可为各种电动马达提供了平滑控制。电子启动涡轮增压器就是一个值得关注的马达控制应用。涡轮增压器可提高引擎的效率，但它也会造成“延迟”。亦即，从汽车驾驶者踩下加速器到涡轮增压器产生额外的动力，期间会有一段明显的时间间隔。如果引擎设计人员为涡轮增压器添加一个电动马达，这一延迟现象就会消失。 复杂的电动马达也可用于混合型汽车，这种汽车由内燃机和电动马达混合驱动。现在的汽车仅有一个电动马达，但将来的汽车可能会采用多马达驱动，从而大大增加对马达控制器的需求。电动马达控制对还处于开发阶段的燃料电池驱动汽车也很重要。 2）变速器 变速器也越来越依赖于复杂的信号处理算法。例如，现已有几款车型配有计算机控制的“手动”变速器，不再需要离合器踏板。这些系统采用与现代引擎控制器类似的方式，即基于模型的方法来决定如何及何时换档变速。这种模型根据有关摩擦、传动装置同步速度及其它变速参数等信息来执行相应的变速操作。电动系统要比手动操作快得多，而且在不太恶劣的驾驶条件下可实现超