數(shù)字信號處理導論資料.

1、What is DSP？狹義理解可為狹義理解可為 Digital Signal Processor 數(shù)數(shù)字信號處理器。字信號處理器。廣義理解可為廣義理解可為Digital Signal Processing，譯為譯為。 數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理：把信號用數(shù)字或符號：把信號用數(shù)字或符號表示表示的序列，的序列，利用計算機或通用（專用）數(shù)字信號處理設備，用利用計算機或通用（專用）數(shù)字信號處理設備，用數(shù)數(shù)值計算值計算方法方法處理處理（例如：濾波、檢測、參數(shù)提取、頻（例如：濾波、檢測、參數(shù)提取、頻譜分析等），實現(xiàn)信號自身或有用特征的提取，達到譜分析等），實現(xiàn)信號自身或有用特征的提取，達到認識信號、利用信

2、號的認識信號、利用信號的目的目的。Why do we need DSP?n在過去的數(shù)十年中，數(shù)字信號處理的領(lǐng)域，在過去的數(shù)十年中，數(shù)字信號處理的領(lǐng)域，無論在無論在理論上還是技術(shù)上理論上還是技術(shù)上都有非常重要的發(fā)都有非常重要的發(fā)展。展。n由于工業(yè)上開發(fā)和利用廉價的硬件和軟件，由于工業(yè)上開發(fā)和利用廉價的硬件和軟件，使使不同領(lǐng)域的不同領(lǐng)域的新工藝和新應用新工藝和新應用現(xiàn)在都想利用現(xiàn)在都想利用DSPDSP算法算法, ,使它成為本科教學內(nèi)容。使它成為本科教學內(nèi)容。n一、課程的主要學習內(nèi)容一、課程的主要學習內(nèi)容（信號的頻譜分析和數(shù)字濾波）（信號的頻譜分析和數(shù)字濾波）What to learn?n二、課程的

3、特點二、課程的特點（數(shù)學工具要求高、應用性強）（數(shù)學工具要求高、應用性強）n三、課程的學習方法與要求三、課程的學習方法與要求 （課上、作業(yè)、實驗）（課上、作業(yè)、實驗） How to learn?n四、課程的性質(zhì)和目的四、課程的性質(zhì)和目的n五、課程的研究對象五、課程的研究對象n六、課程的安排與考核六、課程的安排與考核n七、主要教材和參考書七、主要教材和參考書課程教學大綱n一、信號、系統(tǒng)和信號處理一、信號、系統(tǒng)和信號處理n二、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成二、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成n三、數(shù)字信號處理的學科概貌三、數(shù)字信號處理的學科概貌n四、數(shù)字信號處理的特點四、數(shù)字信號處理的特點n五、數(shù)字信號處理

4、的應用五、數(shù)字信號處理的應用一、信號、系統(tǒng)和信號處理一、信號、系統(tǒng)和信號處理（1 1）信號及其基本特征）信號及其基本特征1、信號、信號v 信號很廣泛：信號很廣泛：如語音信號、圖像信號如語音信號、圖像信號v 解釋：解釋：一個隨著時間變化的物理量。一個隨著時間變化的物理量。物理信號物理信號電信號電信號信號處理信號處理電信號電信號物理信號物理信號話筒話筒揚聲器揚聲器v 信號最基本的參數(shù)：信號最基本的參數(shù)：頻率、幅度頻率、幅度（2 2）信號的分類）信號的分類v 單色信號和復合信號單色信號和復合信號單色信號：只有單一的頻率。單色信號：只有單一的頻率。復合信號：各種正弦頻率分量的合成。復合信號：各種正弦頻

5、率分量的合成。 我們通?？紤]它的頻帶寬度。我們通常考慮它的頻帶寬度。我們通常處理的是我們通常處理的是復合信號復合信號。例：例：Hzft50100sin ， 例：一個高品質(zhì)的音響信號帶寬例：一個高品質(zhì)的音響信號帶寬20kHz 一個視頻信號的帶寬是一個視頻信號的帶寬是6MHzv 連續(xù)時間信號和離散時間信號連續(xù)時間信號和離散時間信號連續(xù)時間信號：隨時間連續(xù)變化的信號，它們在一個時間連續(xù)時間信號：隨時間連續(xù)變化的信號，它們在一個時間 區(qū)間里的任何瞬間都有確定的值。區(qū)間里的任何瞬間都有確定的值。離散時間信號：只在離散的時間點有確定的值，通常是對離散時間信號：只在離散的時間點有確定的值，通常是對 連續(xù)信號

6、進行采樣得到的。連續(xù)信號進行采樣得到的。v 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：指時間連續(xù)、幅度連續(xù)的信號。模擬信號：指時間連續(xù)、幅度連續(xù)的信號。數(shù)字信號：時間和幅度上都是離散（量化）的信號。數(shù)字信號：時間和幅度上都是離散（量化）的信號。 故：數(shù)字信號可用故：數(shù)字信號可用一序列的數(shù)一序列的數(shù)表示，而每表示，而每 個數(shù)又可表示為二制碼的形式。個數(shù)又可表示為二制碼的形式。量化量化離散離散數(shù)字數(shù)字信號信號連續(xù)連續(xù)離散離散離散離散時間時間信號信號連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)時間時間信號信號幅度幅度時間時間 v 周期信號和非周期信號周期信號和非周期信號若信號滿足：若信號滿足： x(t)=x(t+k

7、T0) k為正整數(shù)；為正整數(shù)； 或或 x(n)=x(n+kN) k,N皆為正整數(shù)，皆為正整數(shù)， 則則x(t)或或x(n)是周期信號，周期分別為是周期信號，周期分別為T0和和N；否則就是非周期信號。否則就是非周期信號。v 確定信號和隨機信號確定信號和隨機信號確定性信號確定性信號：若信號在任意時刻的取值能精確確定，則稱：若信號在任意時刻的取值能精確確定，則稱 它為確定信號；它的值可以用它為確定信號；它的值可以用有限個參量有限個參量來來 唯一地加以描述。唯一地加以描述。例：直流信號、階躍信號、正弦波信號例：直流信號、階躍信號、正弦波信號隨機信號隨機信號：若信號在任意時刻的取值不能精確確定，或說：若信

8、號在任意時刻的取值不能精確確定，或說 取值是隨機的，即它不能用有限的參量加以描取值是隨機的，即它不能用有限的參量加以描 述。也無法對它的未來值確定性地預測。它只述。也無法對它的未來值確定性地預測。它只 能通過統(tǒng)計學的方法來描述。能通過統(tǒng)計學的方法來描述。例：許多自然現(xiàn)象所發(fā)生的信號、語音信號、圖像信號、噪例：許多自然現(xiàn)象所發(fā)生的信號、語音信號、圖像信號、噪聲都是隨機信號。它們具有幅度聲都是隨機信號。它們具有幅度( (能量能量) )隨機性、或具有發(fā)生隨機性、或具有發(fā)生時間上的隨機性或二都兼有之。時間上的隨機性或二都兼有之。2、系統(tǒng)、系統(tǒng)v 系統(tǒng)分類系統(tǒng)分類系統(tǒng)系統(tǒng)：處理信號的物理設備?；蛘哒f，凡

9、是能將信號加以變：處理信號的物理設備?；蛘哒f，凡是能將信號加以變 換以達到人們要求的各種設備可稱之為系統(tǒng)。換以達到人們要求的各種設備可稱之為系統(tǒng)。（a a）連續(xù)時間系統(tǒng)連續(xù)時間系統(tǒng)（b b）離散時間系統(tǒng)離散時間系統(tǒng)（c c）模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)（d d）數(shù)字系統(tǒng)）數(shù)字系統(tǒng)3、數(shù)字信號處理、數(shù)字信號處理解釋：解釋：數(shù)字信號處理是利用數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O備計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O備 ，以，以數(shù)值計算的方法數(shù)值計算的方法對信號進行對信號進行采集、濾波采集、濾波 、變換、壓縮、增強、估計、識別、變換、壓縮、增強、估計、識別等加工處等加工處 理，以達到提取有用信息和便于應用的目的。理，以達到提取有

10、用信息和便于應用的目的。二、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成二、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成y (n)x (n)ya(t)xa(t)前置前置預濾預濾波器波器采樣采樣A/D數(shù)字數(shù)字信號信號處理器處理器D/A模擬模擬濾波器濾波器數(shù)字信號處理器的選擇與實現(xiàn)數(shù)字信號處理器的選擇與實現(xiàn)v 軟件實現(xiàn)軟件實現(xiàn)v 專用專用DSPDSP芯片芯片v 通用通用DSPDSP芯片芯片數(shù)字信號處理器的實現(xiàn)方法數(shù)字信號處理器的實現(xiàn)方法 采用大、中小型計算機和微機采用大、中小型計算機和微機 在工作站和微機上使用廠家的數(shù)字信號處理軟件或自在工作站和微機上使用廠家的數(shù)字信號處理軟件或自己編寫信號處理軟件。己編寫信號處理軟件。優(yōu)點：可適用

11、于各種數(shù)字信號處理的應用場合，很靈活。優(yōu)點：可適用于各種數(shù)字信號處理的應用場合，很靈活。 用單片機用單片機由于單片機發(fā)展已經(jīng)很久，價格便宜，且功能較強。由于單片機發(fā)展已經(jīng)很久，價格便宜，且功能較強。優(yōu)點：可根據(jù)不同環(huán)境配不同單片機，可實現(xiàn)實時控制，優(yōu)點：可根據(jù)不同環(huán)境配不同單片機，可實現(xiàn)實時控制， 但數(shù)據(jù)運算量不能太大。但數(shù)據(jù)運算量不能太大。 利用通用利用通用DSP芯片芯片 DSP DSP芯片較之單片機有著更為突出芯片較之單片機有著更為突出優(yōu)點優(yōu)點。 其內(nèi)部帶有乘法器，累加器，采用流水線工作方式及并其內(nèi)部帶有乘法器，累加器，采用流水線工作方式及并行結(jié)構(gòu)，多總線速度快。配有適于信號處理的指令。行

12、結(jié)構(gòu)，多總線速度快。配有適于信號處理的指令。 目前市場上的目前市場上的DSPDSP芯片有：芯片有：美國德州儀器公司美國德州儀器公司( (TI):TMS320CXTI):TMS320CX系列系列AT&TAT&T公司公司dsp16,dsp32dsp16,dsp32系列系列MotorolaMotorola公司的公司的dsp56x,dsp96xdsp56x,dsp96x系列系列ADAD公司的公司的ADSP21X,ADSP210XADSP21X,ADSP210X系列系列 利用專用利用專用DSP芯片芯片三、數(shù)字信號處理的學科概貌三、數(shù)字信號處理的學科概貌n1945 1945 年年Bode

13、Bode SchanonSchanon提出了提出了采樣定理采樣定理n19551955年國際上第一次開設了數(shù)字濾波器課程年國際上第一次開設了數(shù)字濾波器課程n19651965年年Corly-TukeyCorly-Tukey發(fā)明了發(fā)明了快速傅立葉變換快速傅立葉變換（FFTFFT），），19661966年年KaiserKaiser提出數(shù)字濾波理論提出數(shù)字濾波理論n在國際上，一般把在國際上，一般把19651965年年FFTFFT的問世，作為數(shù)字信號處的問世，作為數(shù)字信號處理這一新學科的開端理這一新學科的開端n3030多年的發(fā)展，數(shù)字信號處理自身已基本上形成一套多年的發(fā)展，數(shù)字信號處理自身已基本上形成一套

14、較為完整的理論體系較為完整的理論體系數(shù)字信號處理的理論數(shù)字信號處理的理論n信號的采集（信號的采集（A/DA/D）技術(shù)、取樣定理、量化噪聲分析技術(shù)、取樣定理、量化噪聲分析n離散信號的分析離散信號的分析（時域及頻域分析、各種變換技術(shù)、（時域及頻域分析、各種變換技術(shù)、信號特征的描述等）信號特征的描述等）n離散系統(tǒng)分析離散系統(tǒng)分析（系統(tǒng)的描述、系統(tǒng)的單位取樣響應、（系統(tǒng)的描述、系統(tǒng)的單位取樣響應、系統(tǒng)函數(shù)及頻率特性等）系統(tǒng)函數(shù)及頻率特性等）n信號處理中的快速算法信號處理中的快速算法（快速傅立葉變換、快速卷積（快速傅立葉變換、快速卷積與相關(guān)等）與相關(guān)等）n信號的估值信號的估值（各種估值理論、相關(guān)函數(shù)與功

15、率譜估計（各種估值理論、相關(guān)函數(shù)與功率譜估計等）等）n濾波技術(shù)濾波技術(shù)（各種數(shù)字濾波器的設計與實現(xiàn)）（各種數(shù)字濾波器的設計與實現(xiàn)）n信號的建模信號的建模（ARAR、MAMA、ARMAARMA等模型）等模型）n信號處理中的特殊算法信號處理中的特殊算法（如抽取、插值、反卷積、信（如抽取、插值、反卷積、信號重建等）號重建等）n信號處理技術(shù)的實現(xiàn)信號處理技術(shù)的實現(xiàn)（軟件實現(xiàn)、硬件實現(xiàn)）（軟件實現(xiàn)、硬件實現(xiàn)） 精度高精度高 在模擬系統(tǒng)中，它的精度是由在模擬系統(tǒng)中，它的精度是由元件元件決定，模擬元決定，模擬元器件的精度很難達到器件的精度很難達到1010-3-3以上。而數(shù)字系統(tǒng)中，以上。而數(shù)字系統(tǒng)中，171

16、7位位字長就可達字長就可達1010-5-5精度精度，所以在高精度系統(tǒng)中，通常采，所以在高精度系統(tǒng)中，通常采用數(shù)字系統(tǒng)。用數(shù)字系統(tǒng)。Precisioncomponent specificationADC bits, CPU word width四、數(shù)字信號處理的特點四、數(shù)字信號處理的特點 靈活性高靈活性高ProgrammabilityAnalog system：Modify hardware design.Digital system：Modify software. 數(shù)字系統(tǒng)的性能主要決定于數(shù)字系統(tǒng)的性能主要決定于乘法器的各系數(shù)乘法器的各系數(shù)，且，且系數(shù)存放于系數(shù)系數(shù)存放于系數(shù)存儲器存儲器內(nèi)，

17、只需改變存儲的系數(shù)，內(nèi)，只需改變存儲的系數(shù)，就可得到不同的系統(tǒng)，比改變模擬系統(tǒng)方便得多。就可得到不同的系統(tǒng)，比改變模擬系統(tǒng)方便得多。 可靠性高可靠性高StabilityAnalog system：the characteristics of analog system components, resistors, capacitors and operational amplifiers will change along with temperature, humidity.Digital system：will show no variation with temperature thro

18、ughout their guaranteed operation range.Anti-noise數(shù)字系統(tǒng)：數(shù)字系統(tǒng)：只有兩個信號電平只有兩個信號電平0 0，1 1受噪聲及環(huán)境條件受噪聲及環(huán)境條件 的影響小。數(shù)字系統(tǒng)宜采用大規(guī)模集成電的影響小。數(shù)字系統(tǒng)宜采用大規(guī)模集成電 路，其故障率遠遠小于采用眾多分立元件路，其故障率遠遠小于采用眾多分立元件 構(gòu)成的模擬系統(tǒng)。構(gòu)成的模擬系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)：模擬系統(tǒng)：各參數(shù)都有一定的溫度系數(shù)，易受環(huán)境條各參數(shù)都有一定的溫度系數(shù)，易受環(huán)境條 件，如溫度、振動、電磁感應等影響，產(chǎn)件，如溫度、振動、電磁感應等影響，產(chǎn) 生雜散效應甚至振蕩等。生雜散效應甚至振蕩等。Very

19、 Large Scale Integrated circuit 時分復用時分復用利用利用DSP同時處理幾個通道的信號。同時處理幾個通道的信號。 某一路信號的相鄰兩抽樣值之間存在很大的空隙時某一路信號的相鄰兩抽樣值之間存在很大的空隙時間，因而在同步器的控制下，在此時間空隙中送入其他間，因而在同步器的控制下，在此時間空隙中送入其他路的信號，而各路信號則利用同一路的信號，而各路信號則利用同一DSP，后者在同步器，后者在同步器的控制下，算完一路信號后，再算另一路信號，因而處的控制下，算完一路信號后，再算另一路信號，因而處理器運算速度越高，能處理的信道數(shù)目也就越多。理器運算速度越高，能處理的信道數(shù)目也就

20、越多。多路器多路器DSP分分路路器器同步同步123n123nWe still need analog processing（1）Real-Time ProcessingAnalog system：Besides the delay introduced by the circuit, the processing is in real-time. Digital system：Decided by the processor speed.（2）Processing very high frequency signalsAnalog system：may process microwave, mini-meter-wave, even light wave signals.Digital system：By the Nyquist Rule，the processing speed is limited by the S/H, A/D and processor speed. (3)The most signals in real would are analog. If we want to process these analog signals with digital signal processing system, must c