关键词：数字信号；处理；仿真；应用

中图法分类号：TN911 文献标识码：A

数字信号处理是智能化设备的重要基础，在利用智能化技术对外部信号进行处理的过程中，首先需要将外部传感器信号转变为电路可传输的数字信号，才能够通过单片机或中心处理器进行计算与逻辑安排。基于此，数字信号是智能化设备的应用核心，也是电路仿真实验中的重要一环。当前，针对数字信号处理的方式主要采用基尔霍夫定律来进行实现，本文也将在简述其原理的基础上对此技术在仿真中的实际应用及应用效果进行分析。

1数字信号处理的基本原理

在电路中，数据的表征方式一般是二维的，即通过通电“1”和断电“0”来进行表征。这一特征与电路数字信号传输的稳定性相关，在此前的研究中也有利用电压等方式对复杂信号进行模拟的尝试，但穩定性无法达到当前芯片对数据处理的要求而搁浅。因此，在数字信号处理的过程中，将传感器收集到的外部数据利用电路中的“0和1”进行表征是信号数字化的基本原理。

数字信号处理大体上可以分为3个基本步骤。其一是利用电路将外部获取的模拟信号转变为稳定的数字信号；其二是对数字信号进行加工与分析；其三是按照运算结果将输出的数字信号再次转变为模拟信号（如图1所示）。数字信号的处理重点需要解决由模拟信号向数字信号的转变。外部传感器所获得的信号是一种模拟信号，如一种声音、温度变化等。在电路中需要通过必要的电路系统将模拟信号转变为数字信号。模拟信号在通过传感器后是以电信号的形式所存在的，如当传感器接收到一段声音后，声音震动的频率与幅度会改变电路中电流的大小。

此时，模拟信号已经转变为一段以电流为载体的数字信号，但是未经过加工的数字信号会存在一定的失真与杂音，其产生的方式与原理较为复杂。同样以声音为例，不同波动对于电流大小的改变并非完全线性的，而在特定频率下会产生“跳迁”，进而影响转化的效率与准确性。这就需要采用必要的手段对获得的初始信号进行进一步的加工，具体包括过滤、降噪等，在运算时则需要采用筛选、变换、滤波、放大等方式使其形成稳定、可靠，且可供后续数字信号处理器识别的有效数字信号。其中.滤波技术是一个极为关键的实现手段，根据电容对于电流波动性的消解作用，以电磁放大的具体手段将接收到的数字信号进行放大，并对其展现的恒流波进行电子整合，以形成与模拟信号呈现出良好线性关系的数字信号，进而保障数字信号的还原度与真实性。

2数字信号处理算法及仿真技术

数字信号的处理方式除了硬件的支持，还需要对其具体算法进行实现，进而保障实验过程的稳定性及可靠性。同时，为了快速地对相关技术进行认证，在实物实验前开展仿真计算，以达到更高的便捷性。

2.1数字信号处理算法

目前，针对数字信号处理所采用的主要方法是离散型傅里叶变换（DFT）。此方式的核心是在接收到仿真信号后在数据域和频域的双维度上进行特定参数的离散（见式1）。

通过式1中不难发现，傅里叶转换过程中的Xj的电阻系数是表征系统内电路电信号的关键，并与电阻最大化的奇数成正比例关系，而以时间作为周期转换周期与所形成的频域信息及产生的周期呈负相关关系，而对于不符合周期性的电信号则予以去除。在实际应用中，DFT首先对数据域和频率域进行离散，然后利用DSP等专用的数据处理设备对信息总体进行离散化。同时，可以采用FFT技术对离散系数进行求解，此方式大大减少了DFT的计算次数，实现了对数字信号的真正高效加工，从而促进了傅里叶技术的发展与拓宽实际应用的广度。傅里叶转换是数字信号处理过程的重要组成部分，它的时延性和运算性能是表示数字信号的关键。值得注意的是，由于傅里叶转换应用的广泛性，当前存在一种专门的单片机对傅里叶转换模型进行计算，从而使得针对数字信号的处理更为便捷。无论是从频域还是从数字信号的角度出发，都可以把时间域的信号转化为频域，也可以把频域的信息转化为时间域，因为所探测到的信息大部分具有一定的连续周期。也正是基于这一原理，如杂音、系统杂波等由于没有连续的周期性，进而能够在傅里叶转换中得到有效的规避与消解，所转换后的数字信号与原有模拟信号之间的线性相关性相对较好，在二次还原后能够得到更为精准的模拟信号。

2.2数字信号处理的仿真技术

离散傅里叶转化是一种数学方法，在具体的实现过程中可以通过电子处理的方式予以实现，同时可以利用电路结构予以实现。如何利用电路结构实现对数字信号的处理则是仿真工程中所需要解决的关键性问题。因此，在开展仿真实验的过程中，开发者往往采用模块化方式对具体的电路进行构建，通过对数字信号处理单元的建模来实现对相关信号的处置。

目前，仿真模拟技术已被广泛应用到各个领域。这种技术可以利用计算机技术以及虚拟现实的方式创造出一种可以让人感觉不到的虚拟环境，并对虚拟设定的电路进行运行，以观察电路中不同结构的功能与状态。这种基于模拟与仿真所建立的环境和空间虽然仅供参照，不能作为最终影响结果进行使用，但是对于技术的迭代以及前期观察具有积极的意义。将虚拟模拟技术应用于实验中，可以对实验结果进行观察分析，以最快的速度检验该系统的合理性。与此同时，通过对电路设计创意的实验，可以从性能设计、逻辑设计、模拟测试等方面来体现其功能，使其能够更好地向受试者展示电路运行的真实状况。通过对电路工作和环境的仿真，可以实现对系统性能的直接影响，且对于调试等必要环节均能够提升其效能。目前，常用的仿真程序包括Multisim和OrCAD等。除了上述优势，利用仿真的方式进行电路设计还能够极大地降低成本，并保障使用者的安全。

3数字信号处理算法在仿真实验中的应用

为进一步认证本文所探讨的数字信号处理算法的有效性，以基尔霍夫定律作为验证的主要手段，以Multisim为仿真工具，对实体电路进行仿真搭建，并分析其主要指标效果，具体结果如下。

3.1实验设计

本文以Multisim为仿真软件对数字信号处理模块进行仿真建设，并利用试运行的方式确定仿真技术下数字信号处理技术的具体应用方式。在此实验中利用Multisim提供的元件库对具体线路进行构建，包括电源系统、线路以及信号的接收模块及其等效电阻。在仿真单元构建完毕后，实验的开展具体包括如下几个步骤：其一，对仿真线路进行搭建与建模，并规范各个节点之间的检测依据；其二，在仿真环境下，利用直流电源认证不同电气元件之间的可靠性，通过基尔霍夫定律求解不同电子元件的阐述设定，以及与输入信号之间的线性关系，为后续的数字信号处理提供参数上的支持；其三，利用交流电源的输出模拟数字信号处理的真实运行情况，分别对不同节点之间工作点的运行状态进行扫描，从而获得数字信号处理技术的总体滤波效率，并对输出结果的稳定性以及准确性进行判断。通过此实验结果的对比，能够充分了解在仿真条件下所设计的数字信号处理系统的真实运行状态，为后续的实物搭建以及单片机产品设计提供参考与指导。

3.2仿真设计

通过对仿真软件Multisim构建对应的电路系统，来实现对数字信号的处置，如图2所示。其中，El为输入电源，用来仿真外部传感器的电信号输入（將模拟信号转变为电信号在传感器内部可以完成），其后通过转换电路实现对杂波的物理过滤，并实现有效的放大。E2作为电路自身的电源供给对信号的放大提供能源支持，根据对不同点位的电流检测可以获得多维度的电信号信息，作为仿真结果的输出端。仿真电路有2个开关组.S1和S2作为输入与输出信号的控制单元。与此同时，不同电路线路中设置等效电阻，以防止仿真过程中短路情况的出现。上述电路在直流通电情况下，并未出现短路等情况，线路运行状态良好，支路电流的分配符合基尔霍夫定理的分配原则，证实了仿真电路系统真实有效。

在完成直流条件下的电路合规性检验后，对交流电路进行仿真设计。交流电路的基本模式及构成方式与直流类似，其中传感器的电信号采用交流进行模拟。同时，布置示波器对电信号进行接收，并以示波器的0，T端作为数字信号的输出端口。在示波器的布置上，A点接人通过Ri的电阻电流，B点接入通过R2的电阻电流，C点接入通过R₃，的电阻电流。利用示波器的波形整合及放大对数字信号进行输出，并对输出结果的质量进行判断。具体如图3所示。

3.3实验结果

在上述仿真电路中，实际联通交流电源后（E1）不同点位扫描电流结果如表1所列。

由表1可以发现，当中心电阻R₁阻值发生变化时，总体电路的电信号处理效率存在明显的变化，且呈现出明显的先升高后下降的趋势，但总体的电信号处理质量均超过90%。这说明，此仿真模式下数字信号处理系统能够有效满足电信号的处置需求，并提供稳定的输出信号。但是，电路自身对于输出效能的影响也较为明显，影响的方式为电路自身的等效电阻呈现出“倒U型”趋势，在二次函数模拟的情况下可以发现其峰值出现在805～1050Ω。因此，在实际设计中采取线路等效电阻在950Ω左右，其处于最佳的处理区间。在该区间中，本次数字信号处理技术的仿真结果显示出最大的处理准确性。

而从I₁的指标来看，该指标作为示波器的输入单元，代表了初始数字信号的进入强度，在数字信号的放大过程中，信号质量会存在一定的弱化，因此输入电流越高越好。从表1的结果中不难发现，随着等效电阻的逐步增加，输入电流呈现出明显的降低趋势，当等效电阻从205Ω，提高到1050Ω时，输入电流从0.009718下降至0.004 301，下降幅度为48.66%，这一指标也进一步说明在进行数字信号处理的过程中等效电阻的阻值不能超过1000Ω。当然，若提高输入电压（传感器数字信号电压），则会在一定程度上规避此现象造成的影响，但需要传感器系统消耗更多的能源，也客观上提高了传感器系统的造价。

作者简介：

王军章（1977—），大专，助理工程师，研究方向：电子信息工程。