數(shù)字信號處理曹成茂緒論

1、數(shù) 字 信 號 處 理,Digital Signal Processing 緒 論,從模擬到數(shù)字,1、留聲機(jī)誕生于年。它的發(fā)明人就是譽(yù)滿全球的發(fā)明大王愛迪生。 2、模擬系統(tǒng)經(jīng)歷了一個世紀(jì)的歷程。留聲機(jī)電唱機(jī)鋼絲錄音機(jī)磁帶錄音機(jī) 3、 年問世的CD唱盤，是數(shù)字技術(shù)取代模擬技術(shù)的典型產(chǎn)品。 CD唱盤只用了年就淘汰了唱片。,從模擬到數(shù)字,形形色色的數(shù)字化信息系統(tǒng),從模擬到數(shù)字,一、信號的分類和特征,信號：信號傳遞信息的函數(shù)也是獨(dú)立變量的函數(shù)，這個變量可以是時間、空間位置等。 連續(xù)信號：在某個時間區(qū)間，除有限間斷點(diǎn)外所有瞬時均有確定值。 模擬信號是連續(xù)信號的特例。時間和幅度均連續(xù)。 離散信號：時間上不

2、連續(xù)，幅度連續(xù)。 數(shù)字信號：幅度量化，時間和幅度均不連續(xù)。 信號可以由單個信號源產(chǎn)生，也可以由多個信號源產(chǎn)生。前者是一標(biāo)量信號(Scalar signal)，而后者是一向量信號通常也稱作多通道信號(Multichannel signal)，例如，立體聲信號是一種雙通道信號。,數(shù)字信號處理采用數(shù)字系統(tǒng)完成信號處理的任務(wù)，它具有數(shù)字系統(tǒng)的一些共同優(yōu)點(diǎn)，例如抗干擾、可靠性強(qiáng)，便于大規(guī)模集成等。除此而外，與傳統(tǒng)的模擬信號處理方法相比較，它還具有以下一些明顯的優(yōu)點(diǎn)：,二、為什么要采用數(shù)字信號處理,1、精度高,在模擬系統(tǒng)的電路中，元器件精度要達(dá)到以上已經(jīng)不容易了，而數(shù)字系統(tǒng)17位字長可以達(dá)到的精度，這是很

3、平常的。例如，基于離散傅里葉變換的數(shù)字式頻譜分析儀，其幅值精度和頻率分辨率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬頻譜分析儀。,數(shù)字信號處理采用了專用或通用的數(shù)字系統(tǒng)，其性能取決于運(yùn)算程序和乘法器的各系數(shù)，這些均存儲在數(shù)字系統(tǒng)中，只要改變運(yùn)算程序或系數(shù)，即可改變系統(tǒng)的特性參數(shù)，比改變模擬系統(tǒng)方便得多。,2、靈活性強(qiáng),例如： 有限長單位脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的線性相位； 在數(shù)字信號處理中可以將信號存儲起來，用延遲的方法實(shí)現(xiàn)非因果系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)； 數(shù)據(jù)壓縮方法可以大大地減少信息傳輸中的信道容量。,3、可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達(dá)到的指標(biāo)或特性,利用龐大的存儲單元，可以存儲二維的圖像信號或多維的陣列信號，實(shí)

4、現(xiàn)二維或多維的濾波及譜分析等。,4、可以實(shí)現(xiàn)多維信號處理,（1）增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。他需要模擬接口以及比較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。 （2）應(yīng)用的頻率范圍受到限制。主要是A/D轉(zhuǎn)換的采樣頻率的限制。 （3）系統(tǒng)的功率消耗比較大。數(shù)字信號處理系統(tǒng)中集成了幾十萬甚至更多的晶體管，而模擬信號處理系統(tǒng)中大量使用的是電阻、電容、電感等無源器件，隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性增加這一矛盾會更加突出。,5、缺點(diǎn),三、發(fā)展與應(yīng)用,1946年 賓夕法尼亞大學(xué)發(fā)明了第一代電子管計(jì)算機(jī) 1957年 飛歌公司制造出第二代晶體管計(jì)算機(jī) 1964年 IBM公司制造出第三代集成電路計(jì)算機(jī) 1971年 Intel公司制造出第四代微型計(jì)算機(jī)微處理器

5、1975年 第一臺PC機(jī) 1979年 蘋果機(jī)問世 1982年 IBMPC,年代 特點(diǎn) $/MIPS 60年代 大學(xué)探索 $100-$1,000 70年代 軍事運(yùn)用 $10-$100 80年代 商用成功 $1-$10 90年代 消費(fèi)類電子 $0.1-$1 21世紀(jì) 能源、居家 $0.01以下,三、發(fā)展與運(yùn)用,上個世紀(jì)60年代計(jì)算機(jī)每秒可以完成百萬次操作，而1024點(diǎn)的DFT就需要百萬次的復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算。 上個世紀(jì)80年代用Apple II計(jì)算機(jī)用雷米茲交替算法設(shè)計(jì)一256階的FIR濾波器需要20多小時。 上個世紀(jì)90年代已經(jīng)可以實(shí)時地在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)音視頻的編解碼。,三、發(fā)展與運(yùn)用,三、發(fā)展與運(yùn)用,

6、(1)由簡單的運(yùn)算走向復(fù)雜的運(yùn)算，目前幾十位乘幾十位的全并行乘法器可以在數(shù)個納秒的時間內(nèi)完成一次浮點(diǎn)乘法運(yùn)算，這無論在運(yùn)算速度上和運(yùn)算精度上均為復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法提供了先決條件；,(2)由低頻走向高頻，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率已高達(dá)數(shù)百兆赫，可以將視頻甚至更高頻率的信號數(shù)字化后送入計(jì)算機(jī)處理；,(3)由一維走向多維，像高分辨率彩色電視、雷達(dá)、石油勘探等多維信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域已與數(shù)字信號處理結(jié)下了不解之緣。,（4）各種數(shù)字信號處理系統(tǒng)均幾經(jīng)更新?lián)Q代,在圖像處理方面，圖像數(shù)據(jù)壓縮是多媒體通信、影碟機(jī)(VCD或DVD)和高清晰度電視(HDTV)的關(guān)鍵技術(shù)。國際上先后制定的標(biāo)準(zhǔn)H.261、JPEG、M

7、PEG1和MPEG2中均使用了離散余弦變換(DCT)算法。近年來發(fā)展起來的小波(Wavelet)變換也是一種具有高壓縮比和快速運(yùn)算特點(diǎn)的嶄新壓縮技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣闊，可望成為新一代壓縮技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。,在機(jī)械制造中，基于 FFT算法的頻譜分析儀用于振動分析和機(jī)械故障診斷；醫(yī)學(xué)中使用數(shù)字信號處理技術(shù)對心電(ECG)和腦電(EEG)等生物電信號作分析和處理；數(shù)字音頻廣播(DAB)廣泛地使用了數(shù)字信號處理技術(shù)。可以說，數(shù)字信號處理技術(shù)已在信息處理領(lǐng)域引起 了廣泛的關(guān)注和高度的重視。,數(shù)字信號處理不斷開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域,數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),軟件實(shí)現(xiàn) 硬件實(shí)現(xiàn) 片上系統(tǒng)（SOC, System on a

8、 Chip）,軟件實(shí)現(xiàn)是用一臺通用的數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)行數(shù)字信號處理程序。其優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，一機(jī)可以多用；缺點(diǎn)是處理速度慢，這是由于通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)并不是為某一種特定算法而設(shè)計(jì)的。在許多非實(shí)時的應(yīng)用場合，可以采用軟件實(shí)現(xiàn)方法。例如，處理一盤混有噪聲的錄像(音)帶，我們可以將圖像(聲音)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存入計(jì)算機(jī)，用較長的時間一幀幀地處理這些數(shù)據(jù)。處理完畢后，再實(shí)時地將處理結(jié)果還原成一盤清晰的錄像(音)帶。通用計(jì)算機(jī)即可完成上述任務(wù)，而不必花費(fèi)較大的代價(jià)去設(shè)計(jì)一臺專用數(shù)字計(jì)算機(jī)。,數(shù)字信號處理的軟件實(shí)現(xiàn),硬件實(shí)現(xiàn)是針對特定的應(yīng)用目標(biāo)，經(jīng)優(yōu)化，設(shè)計(jì)一專用的軟硬件系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是容易做到實(shí)時處理，缺

9、點(diǎn)是設(shè)備只能專用。,數(shù)字信號處理的硬件實(shí)現(xiàn),片上系統(tǒng)（SOC, System on a Chip）,隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，一個復(fù)雜數(shù)字信號處理系統(tǒng)已可以集成在一個芯片上。SOC包含有數(shù)字和模擬電路、模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換電路、微處理器、微控制器以及數(shù)字信號處理器等。與傳統(tǒng)的集成電路不同的是，嵌入式軟件的設(shè)計(jì)也被集成到了SOC的設(shè)計(jì)流程中，SOC的設(shè)計(jì)方法將以組裝為基礎(chǔ)，采用自上至下的設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)過程中大量重復(fù)使用自行設(shè)計(jì)或其他第三方擁有知識產(chǎn)權(quán)的IP(Intelligent Property)模塊。SOC要充分考慮如何合理劃分軟件和硬件所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能以及如何實(shí)現(xiàn)軟、硬件之間的信息傳遞。SOC

10、將是數(shù)字信號處理系統(tǒng)的一個新型的實(shí)現(xiàn)方法。,并行是指為了完成同一個任務(wù)，幾個處理器同時工作，使系統(tǒng)能勝任單個處理器所不能完成的任務(wù)；當(dāng)一個處理器完成單個任務(wù)(比如一個濾波器)有很大的富余量時，可讓其完成多個任務(wù)，這就是復(fù)用；流水結(jié)構(gòu)也是多處理器完成同一任務(wù)，它與并行結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于并行的各個處理器之間數(shù)據(jù)交換不多，而流水結(jié)構(gòu)類似于生產(chǎn)中的流水線，數(shù)據(jù)經(jīng)一道道“工序”處理。采用并行或流水結(jié)構(gòu)，完全取決于數(shù)字信號處理的運(yùn)算結(jié)構(gòu)。,并行、復(fù)用和流水,數(shù)字信號處理系統(tǒng)簡介,001,000,010,011,100,101,110,111,001,000,010,011,100,101,110,111,四、本書的內(nèi)容 經(jīng)典的數(shù)字信號處理限于線性時不變系統(tǒng)理論, 數(shù)字濾波和FFT是常用方法。隨機(jī)信號處理:基于平穩(wěn)高斯隨機(jī)信號目前DSP研究熱點(diǎn)： 時變非線性系統(tǒng)、非平穩(wěn)信號、 非高斯信號處理方法的發(fā)展：自適應(yīng)濾波、 離散小波變換、 高階矩分析、盲處理、分形、混沌理論,l 基礎(chǔ)理論：離散時間信號與系統(tǒng)（ch1） 信號的