第00章-緒論--數(shù)字信號處理[劉興釗][電子教案]

1、1CHAPTER 1 INTRODUCTION1. 什么是數(shù)字信號什么是數(shù)字信號2.什么是數(shù)字信號處理什么是數(shù)字信號處理1.3. Realization of digital signal processing1.4.Character of digital signal processing1.5.Application of digital signal processing1.6.Three parts of this course21.1 什么是數(shù)字信號什么是數(shù)字信號信息是客觀世界中各種事物的狀態(tài)和特征的反映，是消息中包含的有意義的內(nèi)容。信息是客觀世界中各種事物的狀態(tài)和特征的反映，是消

2、息中包含的有意義的內(nèi)容。我們把信息的載體和表現(xiàn)形式稱為信號。我們把信息的載體和表現(xiàn)形式稱為信號。 表示成V(t), x(t), or f(x,y).信號的分類信號的分類:電信號、磁信號、聲音信號、光信號、機(jī)械信號和熱信號等；電信號、磁信號、聲音信號、光信號、機(jī)械信號和熱信號等；一維、二維和多維信號；一維、二維和多維信號；周期信號和非周期信號；周期信號和非周期信號；確定信號和隨機(jī)信號確定信號和隨機(jī)信號; 根據(jù)表示信號的函數(shù)的形式，即自變量和函數(shù)（信號幅值）的取值是連續(xù)數(shù)值還是離散數(shù)值分成連續(xù)時間信號、離散時間信號、模擬信號和數(shù)字信號。自變量和幅值均連續(xù)的信號稱為模擬信號；模擬信號；自變量和幅度均

3、離散的信號稱為數(shù)字信號；數(shù)字信號；自變量連續(xù)而幅值連續(xù)或離散的信號統(tǒng)稱為連續(xù)時間信號；連續(xù)時間信號；自變量離散而幅值連續(xù)或離散的信號統(tǒng)稱為離散時間信號離散時間信號。3連續(xù)型數(shù)值連續(xù)型數(shù)值離散型數(shù)值離散型數(shù)值4x(t)xn自變量不一定是時間自變量不一定是時間5自然界產(chǎn)生的信號一般都是模擬信號，數(shù)字信號由數(shù)字設(shè)備直接產(chǎn)生或從模擬信號轉(zhuǎn)換得到，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD：Analog to Digital）。在某些情況下，還需要將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換（數(shù)模轉(zhuǎn)換（DA：Digital to Analog）。 6（4）CD光盤光盤：數(shù)字和模擬聲音信號舉例數(shù)字和模擬聲音信號舉例數(shù)字記錄數(shù)

4、字記錄聲帶等震動聲帶等震動麥克風(fēng)的電壓變化麥克風(fēng)的電壓變化模擬記錄模擬記錄（1）磁帶：）磁帶：（2）乙烯樹脂唱片：）乙烯樹脂唱片：（3）磁盤：）磁盤：用磁性強弱記錄用磁性強弱記錄用密布的波狀溝紋記錄用密布的波狀溝紋記錄用微粒被吸引至兩個方向之一記錄用微粒被吸引至兩個方向之一記錄0和和1用鋁層表面的凹凸不平記錄用鋁層表面的凹凸不平記錄0和和1串串模擬信號模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號氣壓變化和傳播氣壓變化和傳播72 What is digital signal processingContinuous-time systems are systems for which both input and

5、output are continuous-time signals.Discrete-time systems are those for which both input and output are discrete-time signals.Digital systems are those for which both input and output are digital signals.Digital signal processing deals with the transformation of signals that are discrete in both ampl

6、itude and time. Its essential is operation of adding, multiplying, and delaying.8 R C x(t) y(t) 1naynxnysignal flow graph of a discrete-time low pass filter (a0)Difference equation isHardware of a continuous-time low pass filter xn yn a 延時 905 / 105 / 15 / 15 / 105 / 102 / 12 / 12 / 12 / 152 / 12 /

7、12 / 12 / 12D low pass filter2D high pass filter10原始圖像原始圖像 低通濾波后低通濾波后 高通濾波后高通濾波后 9*9的摸板的摸板113. hardware and software1.3 implementation of digital signal processing1. software2. hardwareflexible; slowlyFast, small; no flexibilityfast，flexibleSCM (Single Chip Microcomputer )FPGAprogrammable DSP chip（d

8、igital signal processor）12采用改進(jìn)的采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)哈佛總線結(jié)構(gòu)；有有硬件乘法器硬件乘法器；使用流水線結(jié)構(gòu)；使用流水線結(jié)構(gòu)；有片內(nèi)內(nèi)存；有片內(nèi)內(nèi)存；有一套專為數(shù)字信號處理設(shè)計的尋址方式和指令系統(tǒng)；有一套專為數(shù)字信號處理設(shè)計的尋址方式和指令系統(tǒng)；多芯片并行運行。多芯片并行運行。Character of digital signal processor13CPU存儲器存儲器（數(shù)據(jù)和指令）（數(shù)據(jù)和指令）數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu)CPU程序存儲器程序存儲器（或（或CACHE）數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲器存儲器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總

9、線地址總線地址總線哈佛結(jié)構(gòu)（改進(jìn)型）哈佛結(jié)構(gòu)（改進(jìn)型）14TITI： 定點定點TMS320C1X,TMS320C2X/C2XX,TMS320C5X/C54X,TMS320C1X,TMS320C2X/C2XX,TMS320C5X/C54X, TMS320C62XX TMS320C62XX 浮點浮點TMS320C3X/C4X/C8X/C67XXTMS320C3X/C4X/C8X/C67XX。 ADI: ADI: 定點定點ADSP21XXADSP21XX；浮點；浮點ADSP21XXXADSP21XXXAT&T:AT&T:定點定點DSP16,DSP16A,DSP16C,DSP1610,DSP1616D

10、SP16,DSP16A,DSP16C,DSP1610,DSP1616； 浮點浮點DSP32,DSP32C,DSO3210DSP32,DSP32C,DSO3210 MOTOROLA:MOTOROLA:定點定點MC56000,MC56001,MC56002;MC56000,MC56001,MC56002;浮點浮點MC96002;MC96002;專用：專用：MC56200,MC56156MC56200,MC56156Example of programmable DSP chip15浮點與定點芯片的主要優(yōu)劣比較浮點與定點芯片的主要優(yōu)劣比較類類型型動態(tài)動態(tài)范圍范圍精精度度字長字長程序開程序開發(fā)周期發(fā)周

11、期功功耗耗速速度度價價格格浮浮點點大大高高32位（可擴(kuò)至位（可擴(kuò)至40）短短高高慢慢高高定定點點小小低低16位位長長低低快快低低16 AD1848 ADSP2181 PC DISK Example of hardware and software realization17系統(tǒng)必須在有限的時間內(nèi)對外部的輸入信號完成指定的處理，系統(tǒng)必須在有限的時間內(nèi)對外部的輸入信號完成指定的處理，即信號處理的速度必須大于或等于信號更新的速度；從信號即信號處理的速度必須大于或等于信號更新的速度；從信號輸入到處理后信號輸出的延遲必須足夠小。輸入到處理后信號輸出的延遲必須足夠小。Real-time implement

12、ation算法復(fù)雜度算法復(fù)雜度實時性取決于實時性取決于數(shù)據(jù)量（采樣率）數(shù)據(jù)量（采樣率）設(shè)備的處理速度設(shè)備的處理速度 緩沖大小緩沖大小 采樣程序處理程序 DISK BUFFER1 BUFFER2 模擬信號 數(shù)字信號 18例如：音頻信號的采樣及壓縮（例如：音頻信號的采樣及壓縮（DSP或或CPU執(zhí)行程序）執(zhí)行程序） 分配乒乓（雙）緩沖或循環(huán)（多）緩沖，每個緩沖大小分配乒乓（雙）緩沖或循環(huán)（多）緩沖，每個緩沖大小 為一幀。采樣程序（中斷程序）采樣數(shù)據(jù)并放在乒緩沖內(nèi)，壓為一幀。采樣程序（中斷程序）采樣數(shù)據(jù)并放在乒緩沖內(nèi)，壓 縮程序壓縮乓緩沖內(nèi)的數(shù)據(jù)。縮程序壓縮乓緩沖內(nèi)的數(shù)據(jù)。如果乒緩沖被放滿前，乓緩沖的

13、數(shù)據(jù)已被壓縮完并存入如果乒緩沖被放滿前，乓緩沖的數(shù)據(jù)已被壓縮完并存入 硬盤，則壓縮程序等待乒緩沖放滿，然后壓縮乒緩沖的數(shù)硬盤，則壓縮程序等待乒緩沖放滿，然后壓縮乒緩沖的數(shù) 據(jù)，采樣程序繼續(xù)采樣并將數(shù)據(jù)放入乓緩沖。這就是實時處據(jù)，采樣程序繼續(xù)采樣并將數(shù)據(jù)放入乓緩沖。這就是實時處 理。如果處理速度低于采樣速度，則當(dāng)乒緩沖被放滿時，乓理。如果處理速度低于采樣速度，則當(dāng)乒緩沖被放滿時，乓 緩沖的數(shù)據(jù)還未被壓縮完，采樣程序就要等待壓縮程序，即緩沖的數(shù)據(jù)還未被壓縮完，采樣程序就要等待壓縮程序，即 采樣的數(shù)據(jù)丟掉不存，這就是采樣的數(shù)據(jù)丟掉不存，這就是不能達(dá)到實時處理。不能達(dá)到實時處理。 設(shè)采樣率設(shè)采樣率48

14、KHz，幀長為，幀長為 1152個采樣點。則采樣一幀的個采樣點。則采樣一幀的 時間為時間為1152/48k=24ms，所以壓縮一幀的時間須小于，所以壓縮一幀的時間須小于24ms 延時延時=采樣時間采樣時間+處理時間。處理時間。又如：音頻信號的解壓及回放又如：音頻信號的解壓及回放 解壓后的數(shù)據(jù)幀和正在回放的數(shù)據(jù)幀分別放在乒乓緩沖中解壓后的數(shù)據(jù)幀和正在回放的數(shù)據(jù)幀分別放在乒乓緩沖中 。解壓程序速度必須高于回放速度。解壓程序速度必須高于回放速度。 191.4 Character of digital signal processing(3)higher reliability(1)higher pr

15、ecision(2) higher flexibility(6)more process abilities：lossless compression, linear phase, Error Correction Encoding , regenerative repeater（中繼再生）（中繼再生） (4)cheaper(5)predictability20數(shù)字基帶信號和數(shù)字基帶信號和2FSK調(diào)制信號調(diào)制信號 21DTVDTV ATV ATV信源編碼信源編碼MPEG2MPEG2 PAL/NTSC/SECAM PAL/NTSC/SECAM傳輸與接收傳輸與接收數(shù)字?jǐn)?shù)字 模擬模擬主觀質(zhì)量主觀質(zhì)量

16、接近演播室接近演播室 無法達(dá)到無法達(dá)到SDTVSDTV效果效果只與壓縮有關(guān)只與壓縮有關(guān) 受環(huán)境影響受環(huán)境影響先進(jìn)的傳輸技術(shù)（信道編碼、先進(jìn)的傳輸技術(shù)（信道編碼、調(diào)制、再生）去除環(huán)境影響調(diào)制、再生）去除環(huán)境影響（例如多徑干擾）（例如多徑干擾）資源資源 節(jié)省功率（只節(jié)省功率（只10%10%）和頻帶）和頻帶 有禁用頻道，臨近頻道有禁用頻道，臨近頻道一個模擬頻道傳一個模擬頻道傳4 4路路SDTV SDTV 不能用，不能用，2 2個頻道傳個頻道傳1 1 （或（或1 1路路HDTV)HDTV) 路節(jié)目路節(jié)目 功能功能 環(huán)繞聲；環(huán)繞聲； 單聲道單聲道/ /立體聲；立體聲； 可傳數(shù)據(jù)（可傳數(shù)據(jù)（菜單等文字信菜

17、單等文字信 只能在消隱期傳少量數(shù)只能在消隱期傳少量數(shù) 息）；觀眾可自由選擇節(jié)目息）；觀眾可自由選擇節(jié)目 據(jù)；據(jù)； 的視頻點播（的視頻點播（VODVOD）；可移）；可移 不能移動不能移動 動轉(zhuǎn)播動轉(zhuǎn)播舉例數(shù)字電視的優(yōu)勢舉例數(shù)字電視的優(yōu)勢22(1)數(shù)據(jù)量大，壓縮很關(guān)鍵數(shù)據(jù)量大，壓縮很關(guān)鍵而而MP3MP3僅為僅為128kbps=16k128kbps=16k字節(jié)字節(jié)/S/S，壓縮比，壓縮比1212：1 1，雙聲道需存儲空間雙聲道需存儲空間1M/1M/分鐘分鐘假設(shè)用假設(shè)用48kHz48kHz、16bit16bit來進(jìn)行立體聲采樣來進(jìn)行立體聲采樣比特率為：比特率為：4800048000* *1616* *

18、2/8=192K2/8=192K字節(jié)字節(jié)/S/S一個漢字在電腦里占用兩個字節(jié)，一個漢字在電腦里占用兩個字節(jié)，192K192K字節(jié)可以字節(jié)可以存儲存儲9.69.6萬個漢字（一部中篇小說）。萬個漢字（一部中篇小說）。未壓縮的視頻信號數(shù)據(jù)量未壓縮的視頻信號數(shù)據(jù)量640640* *480480* *2424幀幀/ /秒秒=27Mbyte/s=27Mbyte/s(2)版權(quán)、認(rèn)證版權(quán)、認(rèn)證數(shù)字化產(chǎn)生的問題數(shù)字化產(chǎn)生的問題23在安靜的環(huán)境下，某一頻率的聲音剛好能被聽見在安靜的環(huán)境下，某一頻率的聲音剛好能被聽見的強度，體現(xiàn)出人耳對不同頻率的敏感程度不同。的強度，體現(xiàn)出人耳對不同頻率的敏感程度不同。有損音頻壓縮

19、原理簡介有損音頻壓縮原理簡介音頻壓縮分：無損壓縮和有損壓縮音頻壓縮分：無損壓縮和有損壓縮有損音頻壓縮技術(shù)除了去除音頻信號的客觀冗余以外，還利用有損音頻壓縮技術(shù)除了去除音頻信號的客觀冗余以外，還利用了人耳的聽覺特性去除信號的主觀冗余，以達(dá)到提高壓縮比的了人耳的聽覺特性去除信號的主觀冗余，以達(dá)到提高壓縮比的目的。目的。24頻率掩蔽現(xiàn)象：某一頻率的聲音的存在，使其鄰頻率掩蔽現(xiàn)象：某一頻率的聲音的存在，使其鄰近頻率的聲音必須遠(yuǎn)高于靜態(tài)掩蔽值才能被聽到。近頻率的聲音必須遠(yuǎn)高于靜態(tài)掩蔽值才能被聽到。前者稱掩蔽音前者稱掩蔽音(masking tone) ，后者稱被掩蔽音，后者稱被掩蔽音(masked ton

20、e) 。25時間掩蔽現(xiàn)象：當(dāng)某一較強的聲音（掩蔽音）停止時間掩蔽現(xiàn)象：當(dāng)某一較強的聲音（掩蔽音）停止后，與其鄰近頻率的另一較弱的聲音（被掩蔽音）后，與其鄰近頻率的另一較弱的聲音（被掩蔽音）要過一段時間才能被聽見。時間掩蔽曲線表示掩蔽要過一段時間才能被聽見。時間掩蔽曲線表示掩蔽音停止后過一段時間，被掩蔽音能被聽見的強度閾音停止后過一段時間，被掩蔽音能被聽見的強度閾值。值。26壓縮的基本途徑：壓縮的基本途徑：心理聲學(xué)模型得到信號的頻域掩蔽曲線，心理聲學(xué)模型得到信號的頻域掩蔽曲線，若某頻率處信號的強度低于該頻率處的掩蔽閾值，則不能被若某頻率處信號的強度低于該頻率處的掩蔽閾值，則不能被人耳感受，可以去除；另外對于不能去除的頻率成分，對其人耳感受，可以去除；另外對于不能去除的頻率成分，對其進(jìn)行進(jìn)行量化量化以減少編碼比特，其中選擇量化階的依據(jù)就是使量以減少編碼比特，其中選擇量化階的依據(jù)就是使量化噪聲低于掩蔽閾值，使人耳感覺不到，另外化噪聲低于掩蔽閾值，使人耳感覺不到，另外huffman等熵編等熵編碼（無損）也能進(jìn)一步提高壓縮比。碼（無損）