數(shù)字信號(hào)處理吳鎮(zhèn)揚(yáng)DSP-CH0資料

1、數(shù) 字 信 號(hào) 處 理主講教師：陳萬(wàn)培揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院電子與通信工程系Digital Signal Processing數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)大綱課程性質(zhì)：學(xué)科基礎(chǔ)課適用專業(yè)：電子信息工程，通信工程先修課程：信號(hào)與系統(tǒng)后續(xù)課程：數(shù)字圖像處理、圖像通信等總學(xué)時(shí)： 4學(xué)分 其中實(shí)驗(yàn)學(xué)分0.5學(xué)分 教學(xué)目的及要求本課程是電子信息類專業(yè)重要的學(xué)科基礎(chǔ)課。學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)能比較系統(tǒng)地掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本原理、方法和實(shí)現(xiàn)，為進(jìn)一步使用該技術(shù)打下理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)。專業(yè)工作需要的理論和技術(shù)。通信與信號(hào)處理方向考研課程。學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)能比較系統(tǒng)地掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本原理、方法和實(shí)現(xiàn)；初步

2、學(xué)會(huì)應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理的兩個(gè)主要工具快速傅立葉變換和數(shù)字濾波；初步掌握數(shù)字信號(hào)處理器的開發(fā)技術(shù)。課程內(nèi)容及課時(shí)安排章序號(hào)教學(xué)內(nèi)容學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)緒論11離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)1232離散變換及其快速算法1233無(wú)限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器的設(shè)計(jì)方法1234有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器的設(shè)計(jì)方法1465數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)51合 計(jì)5616課程內(nèi)容1、緒論 介紹數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的模擬技術(shù)相比存在哪些特點(diǎn)。數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域。它的發(fā)展概況和發(fā)展趨勢(shì)。 2、離散信號(hào)與系統(tǒng) 復(fù)習(xí)信號(hào)與系統(tǒng)的知識(shí)，并通過(guò)習(xí)題訓(xùn)練加強(qiáng)離散信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念。 3、離散變換及其快速算法 離散傅里葉變換物

3、理意義及特性。快速傅里葉變換的基本算法。ChirpZ變換的物理意義及算法實(shí)現(xiàn)。FFT在分段卷積，二維DFT的應(yīng)用。該章學(xué)習(xí)將使學(xué)生對(duì)DFT、離散信號(hào)的傅氏變換及Z變換能有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，并對(duì)基2FFT比較熟悉。 課程內(nèi)容4、IIR濾波器設(shè)計(jì) 脈沖響應(yīng)不變法與雙線性變換法。了解幾種主要模擬濾波器的特性及設(shè)計(jì)方法以及怎樣由模擬原型濾波器變換成相應(yīng)的數(shù)字濾波器。在對(duì)全通數(shù)字網(wǎng)絡(luò)了解的基礎(chǔ)上，掌握數(shù)字域的變換方法。 5、FIR濾波器的設(shè)計(jì) 線性相位FIR濾波器的特點(diǎn)。在對(duì)矩形窗的特點(diǎn)比較深入了解的基礎(chǔ)上，討論如何改進(jìn)窗函數(shù)。頻率采樣法重點(diǎn)在如何由線性相位條件決定采樣值。優(yōu)化設(shè)計(jì)在了解原理的基礎(chǔ)上重點(diǎn)掌握

4、如何用優(yōu)化設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)FIR濾波器。 課程內(nèi)容6、數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn) 了解同一傳遞函數(shù)可用不同的運(yùn)算結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，以及這些結(jié)構(gòu)在性能上的特點(diǎn)。有限字長(zhǎng)運(yùn)算的影響主要分析定點(diǎn)乘法運(yùn)算舍入的影響，系數(shù)量化主要了解極點(diǎn)靈敏度的概念。對(duì)大信號(hào)和小信號(hào)極限環(huán)振蕩產(chǎn)生的機(jī)理及解決的方法也應(yīng)了解。對(duì)DSP硬件建立感性認(rèn)識(shí),了解數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱 實(shí)驗(yàn)名稱: 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室名稱: 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 本大綱主撰人: DSP教學(xué)小組實(shí)驗(yàn)室課程編號(hào):適用專業(yè): 電子信息工程、通信工程開設(shè)實(shí)驗(yàn)數(shù)目: 6 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)與要求通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解數(shù)字信號(hào)處理的基本理論和算法。所有驗(yàn)

5、證、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)均分為MATLAB仿真和實(shí)驗(yàn)儀器操作兩部分來(lái)進(jìn)行，這樣可以使仿真設(shè)計(jì)和直觀驗(yàn)證相結(jié)合，提高理論學(xué)習(xí)的效果。實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配 序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱學(xué)時(shí)內(nèi)容提要(實(shí)驗(yàn)?zāi)康?內(nèi)容 方法)類型1低通采樣定理3了解數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的一般構(gòu)成，掌握奈奎斯特采樣定理。驗(yàn)證2FFT頻譜分析3通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)快速傅立葉變換（FFT）基本原理的理解，了解FFT點(diǎn)數(shù)與分辨率的關(guān)系。驗(yàn)證3IIR濾波器設(shè)計(jì)3通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)IIR濾波器基本原理的理解，學(xué)習(xí)編寫IIR濾波器的MATLAB仿真程序。設(shè)計(jì)4窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器3通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)FIR濾波器基本原理的理解，學(xué)習(xí)使用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器。設(shè)計(jì)5頻

6、率采樣法設(shè)計(jì)FIR濾波器3通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深對(duì)FIR濾波器基本原理的理解，學(xué)習(xí)使用頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR濾波器。設(shè)計(jì)6TMS320C54系列開發(fā)環(huán)境介紹1通過(guò)介紹TMS320C54系列芯片和IT公司的集成開發(fā)平臺(tái)CCS，使學(xué)生了解開發(fā)DSP實(shí)際系統(tǒng)的一般步驟和基本方法。演示 教材與參考書目 1. 吳鎮(zhèn)揚(yáng). 數(shù)字信號(hào)處理（第一版）.高等教育出版社. 20042. 吳鎮(zhèn)揚(yáng). 數(shù)字信號(hào)處理的原理與實(shí)現(xiàn)（第二版）. 東南大學(xué)出版社. 20013. 丁玉美, 高西全. 數(shù)字信號(hào)處理. 西安電子科技大學(xué)出版社. 20014. 王世一.數(shù)字信號(hào)處理（第二版）.北京理工大學(xué)出版社.19975. 胡廣書.數(shù)字信號(hào)處理理

7、論、算法與實(shí)現(xiàn).清華大學(xué)出版社.19974. 6. 數(shù)字信號(hào)處理與DSP應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 南京通信工程學(xué)院 2002 7.數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 揚(yáng)州大學(xué)自編 授課方式講授教學(xué)/部分多媒體課件考核方式 考試類型：考試，試卷庫(kù)（統(tǒng)考課程）成績(jī)組成：期末成績(jī)占70%， 平時(shí)成績(jī)占30%（包括：完成實(shí)驗(yàn)、課外作業(yè)、習(xí)題課、課堂討論等） (1)平時(shí)：出勤、課堂紀(jì)律、回答問(wèn)題、實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、答疑情況 (2)考試：統(tǒng)一要求0 緒 論信號(hào)與數(shù)字信號(hào)處理為什么要采用數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展和應(yīng)用課程的主要內(nèi)容歷史沿革 由于超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理在理論和應(yīng)用方面有了驚人的發(fā)展，在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)

8、域中迅速替代傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理方法，并且還開辟出許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。今天，數(shù)字信號(hào)處理隨處可見，各種數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，從CD唱盤機(jī)、PC 機(jī)中的聲卡到數(shù)字化影象、數(shù)碼照相機(jī)甚至手持電話等等。數(shù)字信號(hào)處理是用數(shù)字或符號(hào)的序列來(lái)表示信號(hào)，通過(guò)數(shù)字計(jì)算機(jī)去處理這些序列，提取其中的有用信息。例如，對(duì)信號(hào)的濾波，增強(qiáng)信號(hào)的有用分量，削弱無(wú)用分量；或是估計(jì)信號(hào)的某些特征參數(shù)等?？傊彩怯脭?shù)字方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、變換、增強(qiáng)、壓縮、估計(jì)和識(shí)別等都是數(shù)字信號(hào)處理的研究對(duì)象。1 . 信號(hào)與數(shù)字信號(hào)處理(1) 連續(xù)信號(hào) 時(shí)間上連續(xù)，幅度可連續(xù)也可不連續(xù)。 在某個(gè)時(shí)間區(qū)間，除有限間斷點(diǎn)外所有瞬時(shí)均有確定值。(2) 模

9、擬信號(hào) 時(shí)間和幅度均連續(xù)。(3) 離散信號(hào) 時(shí)間上不連續(xù)，幅度可連續(xù)也可不連續(xù)。(4) 數(shù)字信號(hào) 時(shí)間和幅度均不連續(xù)，幅度量化。數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)方框圖采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)D/A變換器模擬LPF模擬信號(hào)連續(xù)信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)連續(xù)信號(hào)模擬信號(hào)AD轉(zhuǎn)換包括了采樣、量化、編碼等過(guò)程 2 .為什么要采用數(shù)字信號(hào)處理采用數(shù)字系統(tǒng)完成信號(hào)處理的任務(wù)，具有數(shù)字系統(tǒng)的一些共同優(yōu)點(diǎn):抗干擾、可靠性強(qiáng)，便于大規(guī)模集成等。另外，與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理方法相比較，還具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)：(1)精度高模擬電路：元器件精度難以達(dá)到10以上數(shù)字系統(tǒng)：17位字長(zhǎng)可以達(dá)到10的精度，基于離散傅里葉變換

10、的數(shù)字式頻譜分析儀幅值精度和頻率分辨率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬頻譜分析儀。DSP優(yōu)點(diǎn)(2)靈活性強(qiáng)采用專用或通用數(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(chǔ)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。(3)實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達(dá)到的指標(biāo)FIR可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的線性相位將信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)，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)壓縮可以大大地減少信息傳輸中的信道容量。DSP優(yōu)點(diǎn)(4)實(shí)現(xiàn)多維信號(hào)處理利用龐大的存儲(chǔ)單元，可以存儲(chǔ)二維的圖像信號(hào)或多維的陣列信號(hào)實(shí)現(xiàn)二維或多維的濾波及譜分析等。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)(1)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性 需要模擬

11、接口、A/D、D/A、模擬濾波器及復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng) (2)應(yīng)用的頻率范圍受到限制 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 DSP系統(tǒng)中集中了幾十萬(wàn)以上的晶體管。3 .數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展和應(yīng)用(1)由簡(jiǎn)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幾納秒的時(shí)間內(nèi)完成一次浮點(diǎn)乘法運(yùn)算運(yùn)算速度上和運(yùn)算精度上均為復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)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(hào)數(shù)字化后送入計(jì)算機(jī)處理(3)由一維走向多維高分辨率彩色電視、雷達(dá)、石油勘探等多維DSP處理發(fā)展各種數(shù)字信息系統(tǒng)1 全數(shù)字電視畫中畫等數(shù)字處理電視機(jī)，屬

12、于模擬電視機(jī)。全數(shù)字化電視包括：數(shù)字化演播室設(shè)備數(shù)字化傳輸設(shè)備數(shù)字電視接收機(jī)。應(yīng)用數(shù)字化音響設(shè)備早期的唱片是根據(jù)聲音進(jìn)行模擬振動(dòng)形成音槽紋道而制成的。錄音機(jī)是用磁頭在磁帶上進(jìn)行模擬信號(hào)記錄。 1982年問(wèn)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。應(yīng)用3 數(shù)字手機(jī)和基站當(dāng)前數(shù)字移動(dòng)通信有：美國(guó)的TDMA （時(shí)分多址）歐洲的GSM美、韓的CDMA（碼分多址）模擬手機(jī)已被淘汰。應(yīng)用4 數(shù)字化的電腦電視和電視電腦適應(yīng)未來(lái)家庭網(wǎng)絡(luò)化和多媒體化的消費(fèi)潮流。眾多廠商推出了信息家庭化產(chǎn)品。電腦電視（PC-TV）是以PC為主流配置又能收看電視的產(chǎn)品。電視電腦（TVB）-電視腦

13、，具有無(wú)軟件故障、不怕病毒、操作簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用5 個(gè)人數(shù)字助理器（PDA）各類產(chǎn)品均應(yīng)具有以下功能：個(gè)人信息管理電子郵件、傳真接收發(fā)送信息檢索電子字典、翻譯游戲應(yīng)用6 數(shù)字照像機(jī)美國(guó)曾用它通過(guò)衛(wèi)星向地面?zhèn)魉吞照掌?，以后轉(zhuǎn)為民用。數(shù)字照相機(jī)：采用光敏半導(dǎo)體器件將光信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字處理和壓縮將圖像文件保存在存儲(chǔ)器內(nèi)。應(yīng)用7數(shù)字視頻光盤機(jī)VCD的記錄媒體是只讀的CD塑料園盤，以數(shù)字的形式記錄圖像和聲音的信號(hào)。DVD在性能和技術(shù)上都優(yōu)于VCD。應(yīng)用DSP不斷開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域在機(jī)械制造中，基于FFT算法的頻譜分析儀用于振動(dòng)分析和機(jī)械故障診斷；醫(yī)學(xué)中使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)心電(ECG)和

14、腦電(EEG)等生物電信號(hào)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(hào)處理技術(shù)。應(yīng)用數(shù)字信號(hào)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 Chip數(shù)字信號(hào)處理的軟件實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn)是用一臺(tái)通用的數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)行數(shù)字信號(hào)處理程序。優(yōu)點(diǎn): 經(jīng)濟(jì)，一機(jī)可以多用缺點(diǎn): 處理速度慢通用數(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。在非實(shí)時(shí)的應(yīng)用場(chǎng)合，可以采用軟件實(shí)現(xiàn)方法。處理混有噪聲的錄像(音)帶，我們可以將圖像(聲音)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并存入計(jì)算機(jī)，用較長(zhǎng)的時(shí)間一幀幀地處理這些數(shù)據(jù)。處理完畢后，再實(shí)時(shí)地將處理結(jié)果還原成一盤清晰的錄像(音)帶。數(shù)字信號(hào)處理的硬件實(shí)現(xiàn)

15、硬件實(shí)現(xiàn)是針對(duì)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)。優(yōu)點(diǎn):容易做到實(shí)時(shí)處理缺點(diǎn):設(shè)備只能專用。SOC- DSPSOC 是DSP系統(tǒng)的一個(gè)新型的實(shí)現(xiàn)方法LSIC的發(fā)展使一個(gè)復(fù)雜DSP系統(tǒng)可以集成在一個(gè)芯片上-SOC。包含有:數(shù)字和模擬電路ADC/DAC微處理器微控制器數(shù)字信號(hào)處理器SOC- DSP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(guò)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(shí)產(chǎn)權(quán)的IP(Intelligent Property)模塊。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)功能如何實(shí)現(xiàn)軟、硬件之間的信息傳遞

16、。并行、復(fù)用、流水并行：為了完成同一個(gè)任務(wù)，幾個(gè)處理器同時(shí)工作，使系統(tǒng)能勝任單個(gè)處理器所不能完成的任務(wù)復(fù)用：當(dāng)一個(gè)處理器完成單個(gè)任務(wù)(比如一個(gè)濾波器)有很大的富余量時(shí)，可讓其完成多個(gè)任務(wù)流水結(jié)構(gòu)：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(gè)處理器之間數(shù)據(jù)交換不多，而流水結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)經(jīng)一道道“工序”處理。用并行或流水結(jié)構(gòu)，完全取決于數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算結(jié)構(gòu)。MATLABMATLAB：矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matlab Laboratory）是一種通用的科技計(jì)算、圖形交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)仿真的程度語(yǔ)言。MATLAB是美國(guó)MathWorks公司的應(yīng)用軟件產(chǎn)品。信號(hào)處理工具箱（Signal Processing Toolbox）是學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理的有力工具。MATLAB是一種交互式的以矩陣為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。在生成矩陣對(duì)象時(shí)，不要求明確的維數(shù)說(shuō)明。 所謂交互式， 是指MATLAB的