數(shù)字信號處理教程 緒論課件

1、數(shù)字信號處理Digital Signal Processing(DSP)教科書數(shù)字信號處理 程佩青 清華大學(xué)出版社講授內(nèi)容1.緒論-DSP的發(fā)展和應(yīng)用2.離散時(shí)間信號分析DFT3.快速付里葉變換FFT4.數(shù)字濾波器(DF)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法5.IIR DF的設(shè)計(jì)(無限長單位脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì))6.FIR DF 的設(shè)計(jì)(有限長單位脈沖濾波器的設(shè)計(jì))第一節(jié)什么是數(shù)字信號處理一、數(shù)字信號處理(DSP)(Digital Signal Processing)凡是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字硬件、對數(shù)字信號所進(jìn)行的一切變換或按預(yù)定規(guī)則所進(jìn)行的一切加工處理運(yùn)算。例如：濾波、檢測、參數(shù)提取、頻譜分析等。對于D

2、SP:狹義理解可為Digital Signal Processor 數(shù)字信號處理器。廣義理解可為Digital Signal Processing 譯為數(shù)字信號處理技術(shù)。在此我們討論的DSP的概念是指廣義的理解。1.信號信號是一種物理體現(xiàn)。在信號處理領(lǐng)域中，信號被定義為一個(gè)隨機(jī)變化的物理量。例如：為了便于處理，通常都使用傳感器把這些真實(shí)世界的物理信號-電信號，經(jīng)處理的電信號-傳感器-真實(shí)世界的物理信號。如現(xiàn)實(shí)生活中最常見的傳感器是話筒、揚(yáng)聲器話筒(將聲壓變化)-電壓信號-空氣壓力信號(揚(yáng)聲器)2.信號的最基本的參數(shù)頻率和幅度3-30kHz:Very low frequency VLF(潛水艇導(dǎo)

3、航)30-300kHz:Low frequency LF(潛水艇通信)3003000kHz:Medium frequency(調(diào)幅廣播)3-30MHz:High frequency(HF)(無線電愛好者，國際廣播，軍事通信 無繩電話，電報(bào)，傳真)30-300MHz:Very High frequency(VHF)(調(diào)頻FM，VHF電視)0.33GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF電視，蜂窩電話，雷達(dá)，微波，個(gè)人通信)頻率低20Hz范圍，稱為次聲波，它不能被聽到，當(dāng)強(qiáng)度足夠大，能被感覺到。(處于VLF Very low frequency)頻率20Hz20KHz稱為

4、聲波，Low frequency (處于LF)頻率20KHz稱為超聲波 ，具有方向性，可以成束(處于LF)(1)連續(xù)信號和離散信號連續(xù)信號：指隨時(shí)間信號而連續(xù)變化的信號。離散信號：只有在離散的時(shí)間點(diǎn)有確定的值。它通常都是通過對連續(xù)信號采樣而得到的。(3)確定性信號和隨機(jī)信號確定性信號：它的每一個(gè)值可以用有限個(gè)參量來唯一地加以描述。例：直流信號：僅用一個(gè)參量可以描述。 階躍信號：可用幅度和時(shí)間兩個(gè)參量描述。 正弦波信號：可用幅度、頻率和相位三個(gè)參量 來描述。 隨機(jī)信號：不能用有限的參量加以描述。也無 法對它的未來值確定地參量預(yù)測。 只能通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來描述(概率 密度函數(shù)來描述)。例：許多自然

5、現(xiàn)象所發(fā)生的信號、語音信號、圖象信號、噪聲都是隨機(jī)信號。它們具有幅度(能量)隨機(jī)性、或具有發(fā)生時(shí)間上的隨機(jī)性或二都兼有之。二、數(shù)字信號處理的學(xué)科概貌 1.數(shù)字信號處理開端在國際上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里葉變換(FFT)的問世，作為數(shù)字信號處理這一學(xué)科的開端。而它的歷史可以追溯到17世紀(jì)-18世紀(jì)，也即牛頓和高斯的時(shí)代。2.數(shù)字信號處理領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)數(shù)字信號處理的基本工具：微積分，概率統(tǒng)計(jì)，隨機(jī)過程，高等代數(shù)，數(shù)值分析，近代代數(shù)，復(fù)雜函數(shù)。數(shù)字信號處理的理論基礎(chǔ)：離散線性變換(LSI)系統(tǒng)理論，離散付里葉變換(DFT)。 3.“數(shù)字信號處理”又成為一些學(xué)科的理論基

6、礎(chǔ)在學(xué)科發(fā)展上，數(shù)字信號處理又和最優(yōu)控制，通信理論，故障診斷等緊緊相連，成為人工智能，模式識別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字通信等新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。4.數(shù)字信號處理基本學(xué)科分支數(shù)字信號濾波 分為經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波。經(jīng)典濾波為本科階段學(xué)。主要為FIR 和IIR濾波器數(shù)字信號頻譜分析FFT進(jìn)行譜分析 統(tǒng)計(jì)頻譜分析三、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成以下所討論的是模擬信號的數(shù)字信號處理系統(tǒng).前置預(yù)濾波器A/D變換器數(shù)字信號處理器D/A變換器模擬濾波器模擬Xa(t)PrFADCDSPDACPoF模擬Ya(t)(2)A/D變換器由模擬信號產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制流。在A/D變換器中每隔T秒(抽樣周期)取出一次xa(t)的幅度，抽樣

7、后的信號稱為離散信號。(3)數(shù)字信號處理器(DSP)按照預(yù)定要求，在處理器中將信號序列x(n)進(jìn)行加工處理得到輸出信號y(n).(5)后置濾波器把階梯波形平滑成預(yù)期的模擬信號。以濾除掉不需要的高頻分量，生成所需的模擬信號ya(t).第二節(jié)數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)1.采用大、中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī)工作站和微機(jī)上各廠家的數(shù)字信號軟件，如有各種圖象壓縮和解壓軟件。用這一方法優(yōu)點(diǎn)：可適用于各種數(shù)字信號處理的應(yīng)用場合，很靈活。2.用單片機(jī)由于單片機(jī)發(fā)展已經(jīng)很久，價(jià)格便宜，且功能很強(qiáng)。優(yōu)點(diǎn)：可根據(jù)不同環(huán)境配不同單片機(jī)，其能達(dá)實(shí)時(shí)控制，但數(shù)據(jù)運(yùn)算量不能太大。3.利用通用DSP芯片DSP芯片較之單片機(jī)有著更為突出優(yōu)點(diǎn)。

8、如內(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(如FFT指令)等。目前市場上的DSP芯片有：美國德州儀器公司(TI):TMS320CX系列 占有90%還有AT&T公司dsp16,dsp32系列Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列第三節(jié)數(shù)據(jù)信號處理的特點(diǎn)與模擬系統(tǒng)(ASP)相比，數(shù)字系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：精度高可靠性靈活性大易于大規(guī)模集成時(shí)分復(fù)用可獲得高性能指標(biāo)二維與多維處理1.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(dá)到10-3以上。而數(shù)字系統(tǒng)中，17位字長就可達(dá)10-

9、5精度，所以在高精度系統(tǒng)中，有時(shí)只能采用數(shù)字系統(tǒng)。2.可靠性強(qiáng)數(shù)字系統(tǒng)：只有兩個(gè)信號電平0，1受噪聲及環(huán)境條件等影響小。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(dòng)、電磁感應(yīng)等影響，產(chǎn)生雜散效應(yīng)甚至振蕩等且數(shù)字系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路，其故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用眾多分立元件構(gòu)成的模擬系統(tǒng)。3.靈活性大數(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。4.易于大規(guī)模集成數(shù)字部件：高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成，大規(guī)模生產(chǎn)，對電路參數(shù)要求不嚴(yán)，故產(chǎn)品成品率高。例：(尤其)在低頻信號：如地震波分析，需要過濾幾Hz幾

10、十Hz的信號，用模擬系統(tǒng)處理其電感器、電容器的數(shù)值，體積，重量非常大，且性能亦不能達(dá)到要求，而數(shù)字信號處理系統(tǒng)在這個(gè)頻率處卻非常優(yōu)越（顯示出體積，重量和性能的優(yōu)點(diǎn)。）5.時(shí)分復(fù)用利用DSP同時(shí)處理幾個(gè)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(shí)間，因而在同步器的控制下，在此時(shí)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(yùn)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123n123n6.可獲得高性能指標(biāo)例：對信號進(jìn)行頻譜分析模擬頻譜儀在頻率低端只能分析到10Hz以上頻率，且難于做到高分辨率(也即足

11、夠窄的帶寬)。但在數(shù)字的譜分析中，已能做到10-3Hz的譜分析。又例：有限長沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器，則可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的線性相位特性，這在模擬系統(tǒng)中是很難達(dá)到的。7.二維與多維處理利用龐大的存儲單元，可以存儲一幀或數(shù)幀圖象信號，實(shí)現(xiàn)二維甚至多維信號包括二維或多維濾波，二維及多維譜分析等。8.局限性數(shù)字系統(tǒng)的速度還不算高，因而不能處理很高頻率的信號。(因?yàn)槌闃宇l率要滿足奈奎斯特準(zhǔn)則定理)另外，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，對一些要求不高的應(yīng)用來說，還不宜使用。第四節(jié)數(shù)字信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域自20世紀(jì)60年代以來，數(shù)字信號處理的應(yīng)用已成為一種明顯的趨勢，這與它突出優(yōu)點(diǎn)分不開的。數(shù)字信號處理大致可分為：信

12、號分析信號濾波一、信號分析任務(wù)：涉及信號特性的測量。它通常是一個(gè)頻域的運(yùn)算。主要應(yīng)用于：譜(頻率和/或相位)分析語音分析說話人識別目標(biāo)檢測二、信號濾波任務(wù)：是信號入-信號出的情況。實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)的系統(tǒng)被稱為濾波器。它通常(但不總是)作時(shí)域運(yùn)算。主要應(yīng)用于：濾除不需要的背景噪聲，去除干擾頻帶分割， 信號譜的成形所以它廣泛地應(yīng)用于數(shù)字通信，雷達(dá)，遙感，聲納，語音合成，圖象處理，測量與控制，高清晰度電視，多媒體物理學(xué)，生物醫(yī)學(xué)，機(jī)器人等。三、DSP的典型應(yīng)用1.網(wǎng)絡(luò)2.無線通信3.家電4.另外還有虛擬現(xiàn)實(shí)，噪聲對消技術(shù)，電機(jī)控制，圖像處理等等可以說DSP是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的重要基石，它在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的地位與C

13、PU在PC時(shí)代的地位是一樣的。四、舉例1.語音處理它是最早采用數(shù)字信號處理技術(shù)的領(lǐng)域之一。本世紀(jì)50年代提出語音形成數(shù)字模型，經(jīng)過十多年對語音的分析、綜合、證明是正確的。在語音領(lǐng)域現(xiàn)存在著三種系統(tǒng)：語音分析系統(tǒng)：(自動(dòng)語音識別系統(tǒng)，它能識別語音，辨認(rèn)說話的人是誰，而且破譯后，能立即作出決斷。語音綜合系統(tǒng)：盲人的自動(dòng)閱讀機(jī)，聲音響應(yīng)的計(jì)算機(jī)終端，會說話玩具，家用電器(CD,VCD,DVD)。語音分析綜合系統(tǒng)：語音存儲和檢索系統(tǒng)。即廣泛應(yīng)用于電話竊聽。即應(yīng)用于語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強(qiáng)、說話人確認(rèn)、語音郵件、語音存儲等。2.圖像處理數(shù)字信號處理技術(shù)成功應(yīng)用的圖像處理方法有：數(shù)據(jù)壓縮圖像

14、復(fù)原清晰化與增強(qiáng)由于單個(gè)數(shù)字圖像以1兆個(gè)采樣值的量級表示，所以要求高性能的處理機(jī)、高密度的數(shù)據(jù)存儲器。即要求高速度硬件。3.雷達(dá)在軍事上，雷達(dá)、計(jì)算機(jī)、射擊武器等組成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)的作用半徑以內(nèi)并被雷達(dá)自動(dòng)跟蹤時(shí)，雷達(dá)就測量出目標(biāo)的當(dāng)前位置(距離、方位角和高低角)，并把數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，推算出目標(biāo)的航向，航速，引導(dǎo)導(dǎo)彈或自動(dòng)火炮去擊中目標(biāo)(愛國者導(dǎo)彈對飛毛腿導(dǎo)彈)。雷達(dá)系統(tǒng)是應(yīng)用高性能數(shù)字信號處理技術(shù)的一個(gè)例子。雷達(dá)系統(tǒng)主要信號處理功能包括：信號產(chǎn)生、匹配濾波、門限比較、目標(biāo)參數(shù)(如射程、方位和速度)估計(jì)。4.通信整個(gè)通信領(lǐng)域幾乎沒有不受數(shù)字信號處理技術(shù)影響的地方。數(shù)字技術(shù)已用

15、于信號的調(diào)制、解調(diào)、濾波、混頻、檢波和多路傳輸?shù)葐栴}中。語音數(shù)據(jù)壓縮與解壓是數(shù)字信號處理的重要內(nèi)容。在電信領(lǐng)域，數(shù)字處理技術(shù)已發(fā)展到音調(diào)檢測，回波清除、數(shù)字開關(guān)網(wǎng)和自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、可視電話等。許多音頻通信的信號處理功能，已由單塊集成電路實(shí)現(xiàn)。5.電話、電報(bào)下面介紹它們在通訊中的應(yīng)用大家知道，脈沖編碼調(diào)制通訊（簡稱PCM）的主要有的是抗干擾性強(qiáng)。但是，要對語音信號進(jìn)行脈沖編碼傳輸，起碼要有64千比特/秒。為了提高信道的利用率，必須壓縮語音數(shù)碼率。語音壓縮編碼的方法很多，如自適應(yīng)差分脈沖調(diào)制（ADPCM），32千比特/秒的數(shù)碼率達(dá)到了長途電話的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，且復(fù)雜程度較低，1988年被

16、CCITT（國際電報(bào)電話咨詢委員會）建議為長途傳輸中的一種新型國際通用語音編碼方法。6.擴(kuò)頻通信與數(shù)據(jù)壓縮相反的數(shù)據(jù)擴(kuò)張，也是很有用的技術(shù)。它的根據(jù)是仙農(nóng)編碼定理：在一定的條件下，只要碼的長度充分大時(shí)，一定存在一種編碼、譯碼方法，使錯(cuò)誤譯碼率充分小。近年來，在國防上實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率隱蔽與抗電子干擾，采用了數(shù)據(jù)擴(kuò)張技術(shù)，用300千比特/秒的數(shù)碼率傳送64千比特/秒的語音，可以使敵方對此信號難以偵察或干擾。7.移動(dòng)通信現(xiàn)代通信系統(tǒng)是信息時(shí)代的生命線。最近幾年，電信業(yè)在我國發(fā)展很快，安裝電話的用戶與日俱增，移動(dòng)通信已開始全國聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)在，世界性的全球通訊網(wǎng)連接著6億個(gè)以上的電話，還提供大量的用戶電報(bào)以及數(shù)

17、據(jù)通信業(yè)務(wù)。到本世紀(jì)末，通訊將超過能源、汽車、鋼鐵、交通和農(nóng)業(yè)，成為世界上最大的行業(yè)。8.其他生物醫(yī)學(xué)信號處理CT / CATCT：計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影裝置。其中頭顱CT英國EMI公司豪斯菲爾德獲諾貝爾獎(jiǎng)。CAT:計(jì)算機(jī)X射線空間重建裝置。出現(xiàn)全身掃描，心臟活動(dòng)立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干圖像重建。嵌入式電子系統(tǒng)五、DSP技術(shù)的發(fā)展趨勢1DSP技術(shù)的發(fā)展趨勢，可用四個(gè)字“多快好省”來概括。1.多?？蓮膹V度和深度看，廣度是指DSP的型號越來越多。如TMS320C2x（控制）/5x（低功耗）/6x（高性能處理）.從深度講是多CPU的糅合，一種多DSP的糅合，一種DSP的核和其他事務(wù)性處理的核的糅

18、合在一起如RM核。2.快，即運(yùn)算的速度越來越快，指令速度越來越快，頻率越來越高，功能越來越強(qiáng)。五、DSP技術(shù)的發(fā)展趨勢23.好。主要是指性能價(jià)格比。 性價(jià)比符合摩爾定律：每隔18個(gè)月，芯片的速度提高一倍，價(jià)格是原來的一半。這是由于半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，使得成本降低引起的。4.省。功耗越來越低。 正是由于DSP多快好省的發(fā)展，DSP的應(yīng)用范圍越來越寬。小結(jié)1.什么是數(shù)字信號處理2.數(shù)字信號處理的學(xué)科分支3.數(shù)字信號處理的基本組成4.數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)方法5.數(shù)字信號處理的特點(diǎn)6.數(shù)字信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域7.數(shù)字信號處理的發(fā)展趨勢數(shù)字信號處理(DSP)(Digital Signal Processing)凡是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字硬件、對數(shù)字信號所進(jìn)行的一切變換或按預(yù)定規(guī)則所進(jìn)行的一切加工處理運(yùn)算。數(shù)字信號