數(shù)字信號處理：緒論及復習

1、數(shù)字信號處理緒 論一、信號、系統(tǒng)和信號處理（1）信號及其基本特征1、信號 信號很廣泛：如語音信號、圖像信號 解釋：一個隨著時間變化的物理量。物理信號電信號信號處理電信號物理信號話筒揚聲器 信號最基本的參數(shù)：頻率、幅度(3-30)kHz:Very low frequency VLF(潛水艇導航)甚低頻(30-300)kHz:Low frequency LF(潛水艇通信)低頻(3003000)kHz:Medium frequency(調(diào)幅廣播)中頻(3-30)MHz:High frequency(HF)(無線電愛好者，國際廣播，軍事通信 無繩電話，電報，傳真)高頻(30-300)MHz:Very

2、High frequency(VHF)(調(diào)頻FM，甚高頻電視)甚高頻(0.33G)Hz:Ultra high frequency(UHF)(UHF電視，蜂窩電話，雷達，微波，個人通信)超高頻頻率低20Hz范圍，稱為次聲波，它不能被聽到，當強度足夠大，能被感覺到。(處于VLF Very low frequency)甚低頻頻率20Hz20KHz稱為聲波，Low frequency (處于LF)低頻頻率20KHz稱為超聲波 ，具有方向性，可以成束(處于LF)（2）信號的分類 單色信號和復合信號單色信號：只有單一的頻率。復合信號：各種正弦頻率分量的合成。 我們通常考慮它的頻帶寬度。我們通常處理的是復合

3、信號。例：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6MHz 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 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 連續(xù)信號進行采樣得到的。 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。數(shù)字信號：時間和幅度上都是離散（量化）的信號。 故：數(shù)字信號可用一序列的數(shù)表示，而每 個數(shù)又可表示為二制碼的形式。量化離散數(shù)字信號連續(xù)離散離散時間信號連續(xù)連續(xù)連續(xù)時間信號幅度時間 周期信號和非周期信號若信號滿足： x(t)=x(t+kT0) k為正整數(shù)； 或 x(n)=x(n+

4、kN) k,N皆為正整數(shù)， 則x(t)或x(n)是周期信號，周期分別為T0和N；否則就是非周期信號。 確定信號和隨機信號確定性信號：若信號在任意時刻的取值能精確確定，則稱 它為確定信號；它的值可以用有限個參量來 唯一地加以描述。例：直流信號、階躍信號、正弦波信號隨機信號：若信號在任意時刻的取值不能精確確定，或說 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 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、噪聲都是隨機信號。它們具有幅度(能量)隨機性、或具有發(fā)生時間上的隨機性或二都兼有之。2、系統(tǒng) 系統(tǒng)分類系統(tǒng)：處理信號的物理設備

5、?；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)。（a）連續(xù)時間系統(tǒng)（b）離散時間系統(tǒng)（c）模擬系統(tǒng)（d）數(shù)字系統(tǒng)3、數(shù)字信號處理解釋：數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O備 ，以數(shù)值計算的方法對信號進行采集、濾波 、變換、壓縮、增強、估計、識別等加工處 理，以達到提取有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y (n)x (n)ya(t)xa(t)前置預濾波器采樣A/D數(shù)字信號處理器D/A模擬濾波器數(shù)字信號處理器的選擇與實現(xiàn) 軟件實現(xiàn) 專用DSP芯片 通用DSP芯片數(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 在工作站和微機上使用廠家的數(shù)字信號處理軟

6、件或自己編寫信號處理軟件。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， 但數(shù)據(jù)運算量不能太大。 利用通用DSP芯片 DSP芯片較之單片機有著更為突出優(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行結構，多總線速度快。配有適于信號處理的指令。 目前市場上的DSP芯片有：美國德州儀器公司(TI):TMS320CX系列AT&T公司dsp16,dsp32系列Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列 利用專用DSP芯片三、數(shù)字

7、信號處理的學科概貌1945 年Bode Schanon提出了采樣定理1955年國際上第一次開設了數(shù)字濾波器課程1965年Corly-Tukey發(fā)明了快速傅立葉變換（FFT），1966年Kaiser提出數(shù)字濾波理論在國際上，一般把1965年FFT的問世，作為數(shù)字信號處理這一新學科的開端30多年的發(fā)展，數(shù)字信號處理自身已基本上形成一套較為完整的理論體系數(shù)字信號處理的理論信號的采集（A/D）技術、取樣定理、量化噪聲分析離散信號的分析（時域及頻域分析、各種變換技術、信號特征的描述等）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)函數(shù)及頻率特性等）信號處理中的快速算法（快速傅立葉變換、快速卷積與相關

8、等）信號的估值（各種估值理論、相關函數(shù)與功率譜估計等）濾波技術（各種數(shù)字濾波器的設計與實現(xiàn)）信號的建模（AR、MA、ARMA等模型）信號處理中的特殊算法（如抽取、插值、反卷積、信號重建等）信號處理技術的實現(xiàn)（軟件實現(xiàn)、硬件實現(xiàn)） 精度高 在模擬系統(tǒng)中，它的精度是由元件決定，模擬元器件的精度很難達到10-3以上。而數(shù)字系統(tǒng)中，17位字長就可達10-5精度，所以在高精度系統(tǒng)中，通常采用數(shù)字系統(tǒng)。Precisioncomponent specificationADC bits, CPU word width四、數(shù)字信號處理的特點 靈活性高ProgrammabilityAnalog system：Mo

9、dify hardware design.Digital system：Modify software. 數(shù)字系統(tǒng)的性能主要決定于乘法器的各系數(shù)，且系數(shù)存放于系數(shù)存儲器內(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。 可靠性高StabilityAnalog system：the characteristics of analog system components, resistors, capacitors and operational amplifiers will change along with temperature, humidity.Digital sys

10、tem：will show no variation with temperature throughout their guaranteed operation range.Anti-noise數(shù)字系統(tǒng)：只有兩個信號電平0，1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 路，其故障率遠遠小于采用眾多分立元件 構成的模擬系統(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 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。Very Large Scale Integrated circuit 時分復用利用DSP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

11、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路的信號，而各路信號則利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信號后，再算另一路信號，因而處理器運算速度越高，能處理的信道數(shù)目也就越多。多路器DSP分路器同步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 processo

12、r 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 t

13、hese analog signals with digital signal processing system, must change them into digital form first by mixed signal processing.五、數(shù)字信號處理的應用濾波與變換通信語音圖像消費電子儀器工業(yè)控制與自動化醫(yī)療軍事DSP SolutionProgrammable switchMobile phoneADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line)Digital Camera Digital CameraHDTVHigh Definition T

14、VDVD(Digital Video Disc)Simulator of airplaneGPS(Global Position System) Radar/Sonar Cruise missileSmart bomb from F117Pattern recognization Fingerprint distinguish Development of DSPHigher processing speedMulti-DSP co-operationLower price or higher performance price ratioLower power consumption or

15、longer battery lifeASIC based on DSP coreApplication Specific Integrated Circuit 特定用途集成電路Just Do it.課堂問卷1、你有信心學好數(shù)字信號處理課程嗎？A 充滿信心 B 信心不足2、你能保證認真聽講并自己思考作業(yè)嗎？A 能 B 很困難3、如果遇到問題，你會主動問老師或同學嗎？A 會 B 不會4、就本門課程而言，你最想對老師說：總 復 習一、離散時間信號與系統(tǒng)理解序列的概念及幾種典型序列，掌握序列的運算，掌握線性卷積，圓周卷積及二者之間的關系，會判斷序列的周期性。線性、移不變性、因果性、穩(wěn)定？什么樣的LS

16、I系統(tǒng)是因果/穩(wěn)定系統(tǒng)（時域、頻域判斷條件）？理解概念且會判斷（直接判斷、h（n）常系數(shù)線性差分方程，迭代求y（n）、h（n）。時域抽樣及重建，頻域抽樣及重建。理解對連續(xù)時間信號抽樣后引起的頻譜變化，掌握奈奎斯特抽樣定理。二、序列傅里葉變換（DTFT）及z變換序列的Fourier變換定義（條件）、性質(zhì)了解周期序列的DFS及性質(zhì)，周期序列的FTz變換與DTFT變換的關系差分方程-H(z)系統(tǒng)函數(shù)、頻率響應、幅頻特性、相位特性？幾何法確定系統(tǒng)的幅頻特性。零極點對幅頻特性的影響。三、離散Fourier變換理解DFT及性質(zhì)，掌握圓周移位、共軛對稱性，掌握圓周卷積、線性卷積及兩者之間的關系頻域抽樣理論：N點DFT-DTFT在0-2pai區(qū)間抽樣N點，頻率抽樣間隔？對于模擬信號而言，就是在0-Fs上抽樣N點，抽樣間隔？頻率抽樣定理？理解頻譜分析過程：分辨率？時域截斷長度Tp？時域抽樣頻率？時域抽樣點數(shù)？頻域抽樣點數(shù)？四、FFT理解DIT和DIF的基-2FFT算法原理、運算流圖、所需計算量理解IFFT方法了解線性卷積的FFT算法及分段卷積方法實序列的DFT、IDFT的快速算法五、數(shù)字濾波器的基本結構掌握IIR濾波器的四種基本結構理