射頻積體電路簡介.ppt

資 電 概 論 電子元件學程,9.1 簡介 9.2 電子元件簡介 9.3 電子元件學程實驗室 9.4 結語 9.5 習題 9.6 參考書目,電子元件學程 - 簡 介,科技島的政策 充分的人力資源及技術的研究 電子元件工程師 中科院，工研院，電信所 符合國家與高科技產業之需求 電子元件 矽(Silicon)與砷化鎵(GaAs) 開關、放大器、濾波器、類比數位訊號轉換器、振盪器 等訊號處理電路之組成要件。 還包括光電元件、感測元件、微波元件等。 電子元件之集成製作在一個共同基板就是積體電路與系統 射頻元件與積體電路 Dataquest的估計 :數百億美元 無線射頻工程師也被列為十大熱門職業之一 提供學生之就業或研究的基礎,電子元件學程 - 簡 介(續),循序漸進的課程規劃 基礎之元件模型 積體電路相關知識 電磁理論、微波工程切入 引導學員瞭解微波線路基本原理 搭配電腦輔助設計軟體進行實習模擬設計 量測訓練 培養其具備實務及理論解析之能力 電子學程實驗室規劃 電腦輔助設計（包括元件設計、RFIC 設計）與自動化量測 射頻元件或射頻 IC 的量測訓練,電子元件簡介,電子元件的發展 雙極性電晶體 :1947 年貝爾實驗室 1970 年中葉，NMOS 積體電路晶片就用 P 型晶圓來製造 直到1970 年後期，CMOS 製造技術被發展 整合性高、成本低:數位積體電路、混訊、射頻積體電路 雙極性電晶體簡介 多接面半導體元件 電流增益、電壓增益和信號功率增益 藉由跨在元件某兩端的電壓，來控制另一端的電流 雙極性電晶體就是眾多電晶體中既重要又是最基本的元件,雙極性電晶體的結構,npn電晶體三端連接處被稱為射極(E)、基極(B)與集極(C) 圖中Ie、Ib、Ic分別代表射極電流、基極電流與集極電流,雙極性電晶體的基本操作,電晶體可被偏壓在四個操作模式 如果BE電壓是零或是反向偏壓()、BC接面也是反向偏壓。 這條件稱為截止(cut off)，此時電晶體內所有的電流為零。 BE接面變為順向、BC接面是反向的時候， 這條件稱為順向主動(forward active)區域操作。 BE接面順向、BC接面亦為順向，此條件稱為飽和(saturation) 若BE接面操作在反向、BC接面是順向的話， 此時稱作反向主動(inverse active)。,金氧半場效電晶體簡介,金氧半場效電晶體 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor MOSFET MOS電容結構,MOSFET 結構,MOSFET 結構 (續),更深入的了解，相信在不久未來中，電子學、半導體物理等課程裡的介紹,功率半導體元件簡介,功率半導體元件 : Power Transistor、Power MOSFET、IGBT及Power IC等 DATA QUEST的估計 :近六年年平均成長率為15 電源變換器 :系統輕薄短小 依可控性分類 二極體 ( Diodes )：導通及截止由電力電路來決定。 閘流體 ( Thyristors )：導通由控制信號觸發，截止則需藉助電力電路。 可控式開關：導通及截止由控制信號決定。,可控式開關特性比較,各種元件的比較,電子電路簡介,Common-base amplifier(共基極放大器；CB),VEE = IE Ri VBE VCC = IC RO VCB 特性 1. 輸入與輸出相位相同 2. 低輸入阻抗 3. 高輸出阻抗 4. 低電流增益 5. 高電壓增益 6. 適中功率增益,Common-emitter amplifier(共射極放大器；CE),VCC = IB RB VBE VCC = IC RO VCE 特性 輸入與輸出相位相反(差180) 適中輸入阻抗 適中輸出阻抗 高電流增益 高電壓增益 高功率增益,Common-collector amplifier(共集極放大器；CC),VCC = IB RB VBE + IE Ro VCC = IE RO VCE 輸入與輸出相位相同 2. 高輸入阻抗 低輸出阻抗 高電流增益 低電壓增益 低功率增益,三種放大器電路比較,輸入阻抗CC CE CB 輸出阻抗CB CE CC 電流增益CC CE CB 電壓增益CB CE CC 功率增益CE CB CC,射頻積體電路簡介,低成本的策略 Si-based :互補式金氧半（CMOS）與 SiGe BiCMOS 為主 短距離的通訊需求且功能沒有嚴苛要求下， 射頻積體電路將以CMOS製程為主流 長距離通訊應用 規格要求較高 功率放大器仍以非 Si-based功率放大器仍以非 Si-based為主,電子元件學程實驗室,電子元件模擬軟體 MEDICI、SUPREME 射頻積體電路模擬軟體 SPECTRA RF、ADS、 Cadence 電子元件量測設備 電容電壓特性分析儀 電流電壓特性分析儀 網路分析儀 頻譜分析儀 自動化量測 GPIB 介面 HP Vee 或 NI Labview,結 語,課程: 由淺而深、前後連貫、完整的設計 高科技產業所需的軟/硬體設備齊全之電子元件學程實驗室 培養做實驗之能力與理論互相結合 電子元件學程畢業生能夠馬上將其所學滿足我國高科技產業之需求,VLSI Design Engineering,Dpt. Electronics Eng. Feng Chia Univ. Don-Gey Liu,Contents,Development Design Technology ASIC Design Technology CAD Tools,Development,The 1st Transistor at Bell Lab. in 1947 By John Bardeen, Walter Houser Brattain, and William Bradford Shockley,Development,Jack Kilby (TI) 於1958年提出IC專利 1960年代初期的IC只有幾顆電晶體整合在一2 in晶圓上 現代化IC每單一晶片即擁有數百萬棵電晶體，每一晶圓(8 or 12 in)可產出近200顆晶片,Development,IC微觀結構 Top view/Layout Cross sectional view,Layout = a set of masks,What would a mask make?,Integrated Circuit,重複使用多層光罩可製成所需之三維結構,N Well,P Well,Scale of Integration,SSI Small Scale Integration MSI Medium Scale Integration LSI Large Scale Integration VLSI Very Large Scale Integration SOC System on a chip,Scale of Integration,Note: ULSI: Ultra-Large Scale Integration GSI: Giga-Scale Integration WSI: Wafer Scale Integration,Applications,Digital Logic IC Memory IC Analog Signal Processing IC Mixed-mode IC RF IC,CMOS Devices on Wafer,Logic Gates by CMOS IC,INV NOR,Logic Gates Layout - INV,P1,P-IMP,N-IMP,Contact,M1,NW,Logic Gates Layout NOR,P1,P-IMP,N-IMP,Contact,M1,NW,Design Technology,Design rules 將設計技術由製程技術中分離 降低設計工程師負荷 由Carver Mead及Lynn Conway於1980年提出Pattern Independency,Design Technology,設計端,製造端,Design Technology,佈局,ASIC Design Technology,Full-custom design 全方位設計、需有經驗之工程師 Semi-custom design 利用半成品、元件庫組合 主要工作內容為 placement & routing(P&R) Programmable design 規劃FPGA、CPLD晶片 迅速驗證構想,Full-Custom Layout Design,You have to worry about everything Device dimensions, placement, routing Design rules ,Design by Cell-library,M2,M3,Via#2,Via#1,The Need of Computer,Circuit CAD Automatic and efficient design on complex systems Finding potential problems before fabrication Reducing developing time/costs Categories Circuit analysis tools SPICE Layout editor / Verifier Cadence, Tanner Hardware description simulator / Synthesizer Tools for VHDL, Verilog HDL,Tasks in the Layout Design Tools,PRElayout SIMulation Edit layout Design-Rule Check Layout Versus Schematic verification Electric-Rule Check Layout-Parasitic Extraction POSTlayout SIMulation,Internet Resources,美國愛達荷大學 /vlsi 德國漢堡大學 rmatik.uni-hamburg.de/applets 美國加州大學柏克萊分校 / /software/software.html SUNSITE /pub/Linux/apps/circuits,Hardware Description Utilities,VHDL Verilog System C / 利用軟體硬體敘述的共通性，一致透過C+語法進行模擬與分析，建立統一的模型平臺，提供快速的系統設計工具,控制工程 洪三山,12.1 引 言,最近二十年來，由於工業界的自動化(Automation)，更使自動控制系統進入了黃金時代；無怪乎英國前首相柴契爾夫人不禁要大聲疾乎不自動化就破產!(Automation or Liquidation!)，至此人們己能體會，我們四周的日常生活已經處在一切盡是自動控制的時代。,12.2 控制簡史,圖12-1 Drebbel 孵蛋器取自Mayr 1970,圖12-2 瓦特飛球型轉速控制機構 (中國電機工程師手冊，自動控制，中國電機工程學會，1997),12.3 控制工程之基本定義,圖12-3 回授控制系統方塊圖,12.4 控制系統之分類,開迴路控制系統與閉迴路控制系統(Open-loop and closed-loop control system),圖12-4 基本開迴路控制系統,圖12-5 基本閉迴路控制系統,線性與非線性控制系統 Linear and non-linear control system 時變與非時變控制系統 Time-varying and time-invariant control system 連續時間控制系統與離散時間控制系統Continuous-time and Discrete-time control system,12.5 控制系統的範例,圖12-8 速度控制系統(取自OGATA),圖12-9 採用型樣識別程序之機器人(取自OGATA),12.6 控制系統之設計程序,建立模型Modeling 數學描述Mathematical description 系統分析Analysis 系統設計Design 系統測試Testing,12.7 結 語,控制工程是以控制學理為核心，整合電機、機械、電子、資訊等知識，廣泛應用於工業的一門科技，在促進產業升級、發展國防及航太科技的呼聲中，大力推展控制工程技術乃當務之急。,無線通訊系統工程,未來所謂個人通訊系統 ( personal communication system, PCS ) 預計將在 2010 年實現，其目的即為整合無線通訊與計算機技術，以實現使用者可在世界任何一個角落和另外一個使用者直接傳輸聲音、數據及影像。 電腦、通訊與民生電子工業( 簡稱 3C )技術的發展整合將是未來世界潮流的依歸。 本學程將著重在無線通訊系統與射頻技術在個人電腦與汽車行動的應用。 於2002年所推出之第三代行動通訊系統，再度激發我國無線行動通訊產業，無線通訊科技將成為我國在未來工業發展的重點。,14,目前無線通訊的產品有許多仍屬類比式，但走向數位化卻是其一致的趨勢，因為數位系統比類比系統具有更高的系統容量，更好的通訊品質，更高的頻譜使用率，更具保密性，能提供更多類型的服務等好處。 美國FCC ( Federal Communications Commission ) 規劃出三個不需執照即可使用ISM (Industrial, Science, Medical) 頻段。 無線通訊系統可以區分為：電傳服務 (telecom) 或數據服務 (datacom)、窄頻 (narrow band) 或寬頻 (broad band)、區域 (local area) 或廣域 (wide area)。,14.2,無線通訊系統之分類與沿革,表14-1 各類無線通訊系統的分類,14.2.1 蜂巢式行動電話系統,相對於蜂巢式行動話而言，數位無線話系統屬於低功率電話，使用者的移動速度亦受到限制，其主要功能在增強與補足行動電話容量之不足。 歐洲：DECT ( Digital European Cordless Telecommunication System ) 目前已成為的數位無線通訊標準，各國將保留18801900MHz的頻道供其使用。,14.2.2 數位無線電話系統,其應用有二大類： GIP ( GSM Interlocking Profile ) GAP ( Generic Access Profile ),日本：PHS ( Persia Communication System ) 美國：PACS ( Personal Access COMMUNICATIONS System ),表14-2 常見之蜂巢式行動電話系統及數位無線電話系統的標準,ARDIS ( Advanced Radio Data Information Service ) 發展於1983年，由IBM與Motorola公司合作。 CDPD ( Cellular Digital Packet Data )系統於1992年IBM與另外九家公司共同發展，可與現有AMPS(Advanced Mobile Personal System)系統並存。 其他著名的行動數據系統如GSM系統所供的數據服務、Bluetooth、無線區域網路標準IEEE 802.11以及HIPER LAN ( HI Performance LAN )系統等。,14.2.3 無線行動數據通訊系統,CDPD ( Cellular Digital Packet Data )系統： 基本的作法：將傳送數據之資料切成一連串的封包，再經由指定的或是掃描到的空閒頻道傳送出去。 通常是利用掃描到閒置頻道傳送資料，此時整個頻道都將全部用來作為數據通訊之用。 CDPD系統除了基台和天線是與AMPS系統共用，其他則是獨立的。,讓進行通訊終端機之間互傳訊號，由GSM手機扮演一般話機的角色，而筆記型電腦則經由PCMCIA 介面的數據機再與手機連接，亦類似撥接網路。,GSM,提供兩大類數據服務：,短訊服務 ( Short Message Services ) 非連接式 ( Connectionless ) 傳輸，並利用信號頻道( Signaling Channel )來傳送訊號。 載運服務 ( Bearer Services ),HSCSD ( High Speed Circuit Switched Data ),為資料量平穩的連線設計，如大型檔案的傳送等，一次可以使用多個時槽，目前的GSM則只能用一個時槽。,GPRS (General Packer Radio Services ),為爆發型資料量的連線而設計，如電子郵件、WWW的資料等，由於資料量是很不穩定，故無法預料需要幾個時槽，因此需要另外的傳輸網路。,在無線區域網路方面，使用者對通訊容量及品質要求大幅增加，因此無線通訊網路必須提供寬頻、快速且確之多媒體訊息傳輸才足以滿足使用者的需求。 無線區域網路標準： IEEE 802.11標準委員會所制定的 IEEE802.11 歐洲 ETSI 所制定的 HIPERLAN 這兩個標準都是著重於實體層與媒體擷取控制層 ( Media Access Control layer ) 之協定制定。,表14-3 無線區域網路標準,從技術層面的角度而言，第四代無線通訊系統技術以正交分頻多工（Orthogonal Frequency Division Multiplexer, OFDM）的技術最受矚目。 數位音訊廣播 (DAB) 以及數位影像傳輸 (DVB-T) 的系統都是採用OFDM 調變技術。,正交分頻多工（Orthogonal Frequency Division Multiplexer）,OFDM 具備 高效率的無線電頻率使用效益 高度抗雜訊能力 高速數據傳輸 解決多重路徑傳輸時相鄰符元相互干擾, ISI等,表14-4 無線行動數據通訊系統,表14-5 IEEE802.11a 調變方法與資料傳輸率,表14-6 HiperLAN/2調變方法與資料傳輸率,14.2.4 無線傳呼系統,無線傳呼系統開發的動機就是為了提供最簡便的單向個 人通訊服務，其呼叫器依其可接收的訊息型態則可區分 為單音型、數字型、文字型等。 早期的呼叫器以B. B. Call 稱之， 因其只能以嗶嗶聲告 知來電訊息，至於現在的呼叫器則除可發出聲響外，並 可同時顥示數字及經編碼過的文字符號。 近年來發展出語音呼叫及雙向呼叫服務，其中雙向呼叫 是為了讓呼叫者知道被呼叫者是否確實收到的訊息服務， 可利用GSM系統短訊服務來達成。,中繼式無線通訊系統：大多仍屬類比式 美國：SMR ( Specialized Mobile Radio ) 歐洲：LMR ( Land Mobile Radio ) 台灣：俗稱特哥大 此系統最顯著的功能就是群呼，可以進行一對一、一對多、多對多、多對一的通訊，最主要於公司調度與派遣人力資源。 傳統無線電是多人共用同一頻道，但系統缺乏管制中心，所以常會有通話干擾的現象。,14.2.5 中繼式無線行動通訊系統,中繼式無線電與傳統無線電最大的不同： 使用者無專屬的頻道，頻道的使用是由系統控制中心自動 分配，這樣除了別的使用者無法竊聽之外，頻道的使用也 可發揮最大的效率。 中繼式無線電的系統架構其中行動台即使用者的終端接收 器，而系統中央控制台功能則似配話系統中的交換機。,14.3,無線收發機之技術發展與架構,無線通訊的應用在日常生活中相當普遍，而欲完成無線通 訊之傳輸就必須使用一套可將訊息與電波互相轉換的裝置， 稱為發射機 ( transmitter ) 與接收機 ( receiver)。 所要傳送訊息的電壓波形，並非適合長距離在空氣中傳 播，而將訊息轉換為有利於無線傳輸的波形的動作就稱為 調變 ( Modulation )。,調變的方式：波形的振幅、頻率或相位 改變訊息振幅的調變方式就稱為振幅調變 ( Amplitude Modulation, AM )，簡稱調幅。 另外兩種方式就稱為頻率調變( Frequency Modulation, FM ) 與相位調變( Phase Modulation, PM )。,無線電發射機的系統方塊圖,一般接收機的架構可分為超外差式與直接降頻式： 超外差式(super-heterodyne)： 將由天線接收到訊號之後，在射頻頻段給予適當的放大 後，先經由混頻器轉換至中頻，並進行訊號的放大與檢 波的動作，最後回復為原先的基頻信號。 此方式的電路雖然較為複雜，但其靈敏度、選擇性以及 穩定性都很優越，所以目前的接收機大多使用此方式來 實現。,直接降頻式： 將所需的電波在射頻時就直接放大，並直接將訊號檢波 以獲得原先的調變信號。 此種雖然電路結構簡單，但因為其靈敏度、選擇性與穩 定性都不易兼得，故目前幾乎已被淘汰不用。,單超外差接收機的結構方塊圖,此架構採用一組轉頻電路 ( frequency converter)，能將接收 的電波轉換成固定的中頻，再進行訊號的過濾與放大，其 各子電路的說明如下：,輸入電路：此電路主要是能達成天線與射頻放大電路之間的阻抗匹配，並利用調諧電路或濾波器來選擇所希望接收的電波頻率範圍。 射頻放大電路 ( radio frequency amplifier )：將接收到的射頻微弱電波給予放大，並提高輸出入的訊號雜訊比，以提高接收機的靈敏度，另外此電路的頻率響應可改善鏡像頻率的影響。 混頻電路 (mixer )：此電路的功能主要是做訊號頻率的轉換，將接收到的射頻訊號與本地振盪器輸出弦波訊號互相混合，以製造出兩者之和頻或差頻訊號，在接收機中之中頻訊號通常較射頻訊號的頻率來的低，也就是中頻訊號是由兩者的差頻而得。,(4) 本地振盪器 ( local oscillator )：用來產生混頻電路所使用 之載波振盪訊號，此電路的首要要求為振盪訊號之穩定性， 而接收機頻率的選擇則是由切換本地振盪器的頻率而得， 保持固定的中頻頻率。本地振盪器與混頻電路二者可合稱 為頻率轉換器 ( frequency converter)。 (5) 帶通濾波器( band pass filter)：帶通濾波器顧名思義就是使 某個頻帶的頻率通過，其餘頻率的訊號皆不可通過。用在 中頻的濾波器對接收機而言必須擔負起清除訊號經由轉頻 電路後所產生的雜散訊號，只留下乾淨的中頻訊號。 (6)中頻放大電路( intermediate frequency amplifier )：此電路 用來提供接收機的大部份的增益，擔負著提高接收訊號強 度的責任，通常必須加上自動增益控制電路來避免過大的 放大倍率使訊號飽和而失真。,(7) 檢波器 ( detector )：此電路主要的功能是將發射前已調 變過的訊號，在接收經過中頻處理後做解調變的動作， 以獲得原先調變之前的音頻訊號，低失真為檢波器的首 要要求。 (8)音頻放大器 ( audio frequency amplifier)：能將檢波所得 之音頻訊號放大到足以推動揚聲器的位準，首要要求為 低失真。,14.4,未來無線通訊之發展,隨著使用者對通訊容量及品質需求的大幅增加，無線通訊網 路必須提供寬頻、準確且快速的多媒體訊息輸出以滿足使用 者的需求。 以技術層面來看，第三代行動通訊系統主要是以CDMA (Code Division Multiple Access)為核心技術。 第四代行動通訊系統技術則以 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexer) 技術最受矚目。 其應用如無線區域迴路(WLL)、數位音訊廣播(DAB, Digital Audio Broadcast)等，都將在未來採用OFDM技術。,表14-3 第三代與第四代通訊系統之比較,參考書目,1 台灣區電子電機工業同業學會，電工資訊，2000年12月。 2 中原大學電子工程學系，2000年全國電信研討會論文集， 89年12月。 3 大葉大學，第五屆電腦與通訊技術研討會論文集，89年10 月。 4 大葉大學，第四屆電腦與通訊技術研討會論文集，87年7月。 5 禹帆編著，無線藍芽技術-深入探討(第二版)，文魁資訊股份有 限公司，90年11月。 6 鄭懿讚，無線網路，學貫行銷股份有限公司，91年5月。 7 張盛富、戴明鳳，無線通信之射頻被動電路設計，全華圖書， 87年11月。 8 Vijay K.Garg, “ IS-95 CDMA and cdma2000 Cellular/PCS Systems Implementation ”, Prentice Hall, Inc., 2000. 9 Bernard Sklar, “ Digital communications Fundamentals and Applications ”, Prentice Hall, Inc., 2nd edition, 2001. 10 Harri Homlma and Antti Toskala,“ WCDMA for UMTS Radio Access for Third Generation Mobile Communication ”, John Wiley & Sons, Ltd, 2000.,多媒體通訊 Multimedia Communications,Outline,簡介(Introduction) 多媒體信號處理(Multimedia signal processing) 信號與系統(Signal and System) 數位信號處理(Digital signal processing) 數位信號資料壓縮(Digital signal compression) 結論(Conclusion),簡介一,媒體(medium):承載資訊的載體。常見的媒體如文字(text)、數據(data)、聲音(audio)、圖形(graph)、動畫(moving graph or animation)、影像(image)及視訊(video)等。 多媒體(multimedia):多媒體(multimedia)則是透過電腦整合上述以及其它類型的媒體，使其具有整體性、多樣性及互動性。 落實多媒體的關鍵:在於各類媒體首先必需數位化，而轉換成多媒體信號(digitization)，使其能夠以數位方式處理、展示、儲存及傳輸。因此多媒體信號亦是數位信號。,簡介二,多媒體通訊:主要是利用適當的處理技術，將多媒體信號經由網路(含有線及無線)傳輸通道進行傳送、互動及控制，如下圖所示。,簡介三,多媒體通訊為基礎的應用非常廣泛，概括的可分為兩類 人對人(people-to-people) 人對系統(people-to-system) 人對人:基本上以改進人際間的通訊為目的，並且至少有二人以上參與應用。 人對系統:是指人與多媒體資料庫間的溝通，此類應用常有創新的通訊服務模式，如視訊點播(video on demand)。 此類應用常有創新的通訊服務模式，如視訊點播(video on demand)。常見的多媒體通訊應用範例可歸納如下頁,簡介四,影音電話(packet videophony) 電腦支援的協同工作(computer-supported coorperativework,CSCW)，如分享式電子白板。 影音分散傳播，如網際網路廣播頻道(internet radio and TV channels) 視訊會議(Videoconference) 多媒體資料庫服務，如視訊點播、互動電視、多媒體訊息檢索與查訊、獨立商亭、數位圖書館及遠距教學等 網路超文件(hypertext)及超媒體(hypermedia) 虛擬實境(virtual reality)及擴增實境(augmented reality) 多媒體通訊的發展奠基於多媒體信號處理(multimedia signal processing)及網路通訊兩領域。有關網路通訊部份已於前章詳述。下節將就多媒體信號處理進行簡介。,多媒體信號處理,信號:是一個物理過程中的某一個物理量的變化形態，此物理量可以是電型式、機械型式、聲波型式或其它能量型式，例如聲音信號、脈博信號、地震信號、景氣對策信號或交通號誌的紅綠燈信號等。 電機電子領域裡所指之信號雖為電信號，但此信號所代表的可以是語音(speech)、音訊(audio signal)、影像、視訊、圖畫、動畫、生醫信號(biomedical signal)、雷達信號(radar signal)、文字、地質(geophysical)資料、經濟指標序列或其它感測資料。 信號處理:則是指為完成某一特定的目的而將原信號經處理後轉換成另一適當的型式。,信號處理目的,資料壓縮(compression)：以最少的資料量代表信號所含之資訊，降低資料傳送頻寬及減少儲存空間。 調變(modulation)：建立有效的通訊聯結，增加傳輸通道使用效益。 錯誤控制編碼(error control coding)：在信號傳送或儲存過程中防止或降低錯誤的產生。 等化(equalization)：抗拒不理想的傳輸通道所引起的信號失真。 濾波(filtering)：對信號進行增強、篩選或雜訊(noise)去除。,信號處理目的,加密(encryption):進行私密通訊及認證(authentication)。 控制(control):經由信號控制使系統具有指定的特性。 分類(classification)及辨識(recognition):依據信號內涵的特徵，使同性質者歸屬一類謂之分類。亦可以此特徵與資料庫比對進行樣式(pattern)識別。 預測(prediction):根據信號過去的變化形式預測信號未來的變化。 鑑定(identification):對一未知系統，從其輸入及輸出信號推測該系統的特色，並建立其數學模式。例如，未知系統可以是通訊的傳輸通道或某處的地層結構。,信號處理目的,從上述的信號類型及處理目的可以了解信號處理的領域日益擴增，同時對其需求及表現也相對的提升。 創新的信號處理技術不斷的創造出新的應用，如三維立體顯像技術、虛擬實境、行動機器人、大型資料庫的多媒體資料尋回(retrieve)系統、信號內涵的理解技術等 信號處理的應用範圍非常廣泛，依據德州儀器工業股份有限公司(Texas Instruments)所生產的數位信號處理器(digital signal processors)其應用領域及產品歸納如下,數位信號處理器其應用領域及產品,家庭設備系統 通訊設備 工業零售自動化設備 電腦、通訊及辦公室設備 醫療診斷設備個人通訊設備 個人通訊設備 電腦娛樂系統 汽車系統 儀器應用 軍事應用 航太工業,信號與系統,信號:是表示一個物理過程中的某一個被觀測物理量的變化狀況。通常此物理量的變化與獨立變數有關，如時間。舉例言之，一個語音信號是代表聲道中的聲波壓力的變化型態，此型態當然會隨著時間的變化而改變，形成所謂的時間波形。 如圖16-2所示的語音信號，其中橫座標代表時間，縱座標代表聲波壓力，此波形代表一維的連續時間信號，而此類信號從數學的觀點可由單一變數的函數表示之，即s(t)，其中t表示時間變數，s(t)則代表在時間t之信號振幅(amplitude)。經由信號的數學描述式子，函數，可以將數學分析方法應用於該信號所代表的物理量之變化情形。,信號與系統,儘管信號源自不同的能量形態，但它們皆可用數學函數表示之。 有些信號的獨立變數不是時間，例如影像所代表的是空間信號，它代表透過鏡頭將外在景像投射於感光裝置所形成的空間圖樣。因此影像信號需要由兩個獨立空間變數的函數來描述，即i(x，y)，其中x，y代表空間座標而i則表示在該點的亮暗度或稱灰度值(gray level)。 圖16-3為影像信號的例子，顯然的，影像是一個二維信號。同理可知，由於視訊是一個隨時間而變化的影像，它屬於三維信號。,信號與系統,圖16-2 語音信號 圖16-3 影像信號,信號與系統,有關信號的研究可分為三個部份： 信號模式 信號分析 信號設計 信號模式專注於探討如何為信號建立適當的數學模式，方便後續的分析。 信號分析則專注於如何從信號中擷取有用的資訊。 信號設計又稱信號合成則可視為信號模式及信號分析之反向過程，即由已知的信號數學模式去合成代表該信號之物理量。例如由電子裝置去模擬合成各類音效。,信號與系統,我們常發現某類信號永遠伴隨另一信號而產生。例如當CD隨身聽讀取音樂CD資料時，則從連接於CD的耳機中聽到音樂聲 。 這種一個信號(稱為輸入信號)造成另一信號(輸出信號)的產生，可由數學描述其間的關係，稱為系統。如以一維時間信號為例，如圖16-4所示，系統之輸入信號為x(t)，其產生之輸出為y(t)，數學上可表示為 其中 表示系統對輸入信號所進行的轉換或操作，意即將輸入信號轉換為一個新的信號。,信號與系統,一個系統通常代表某一個物理過程，因此它可以小至為一個元件或大至為複雜而互相連接的裝置。 例如一個電晶體可視為一系統，而由電晶體及其它元件所組成的電視機亦是一系統，其輸入為由天線進入之電流信號，輸出則為影像及聲音。 圖16-4 系統示意圖,信號與系統,有關系統的研究亦分為三部份 系統模式 系統分析 系統設計 系統模式專注於探討如何建立系統的數學模式。 系統分析則藉著對系統模式的分析，便能進一步的發現系統的特性及特徵。 系統設計則為系統模式建立的反向過程，即已知系統的數學模式及其特性，藉由硬體或軟體方式實現此系統。,數位信號處理,類比信號 :連續振幅連續獨立變數的信號，如前述圖16-2所示的語音信號。 數位信號是指可以用一串數字序列描述的信號，此處的數字則是指可以使用有限數目的位元所代表。 數位信號之分析，處理及合成皆可經由電腦運算完成。然而絕大部份的信號並非數位信號。 所以必需將類比信號轉換為數位信號，其步驟為取樣(sampling)、量化(quantization)及編碼，如圖16-5所示。,數位信號處理,圖16-5數位化過程,數位信號處理,取樣:以一維類比信號s(t)為例，取樣是指對原信號每隔一固定取樣間隔，T秒，取一樣本，產生一序列的數字可表示為s(n)=s(nT)，其中n為整數，表示時間指標。以圖16-6(a)的類比信號為例，圖16-6(b)描述其取樣信號s(n)。 量化:為使取樣信號的每一樣本都能以有限的位元數目表示之，必須將信號振幅值的出現數量由無窮多個變為有限個數，此過程稱為量化，如圖16-6(c)所示。 編碼:最後再將量化後的樣本給予二進制編碼，使其能直接輸入至電腦進行處理。 這整個取樣、量化及編碼過程是由類比數位轉換器(AD converter)完成。,數位信號處理,(a) (b) (c) 圖16-6 類比信號轉變數位信號示意圖,數位信號處理,以二維的數位影像為例，每一樣本稱為像素(picture element, 簡稱pixel)。 圖16-7顯示不同取