大三數(shù)字信號(hào)緒論_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、 蔣 朝 輝 E-mail: 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院中南大學(xué)控制工程研究所數(shù)字信號(hào)處理Digital Signal Processing課程簡(jiǎn)介 面向?qū)ο螅盒畔⒃弘姎忸惐究拼笕龑W(xué)生 預(yù)修課程:信號(hào)與系統(tǒng) 學(xué)時(shí)分配:共32學(xué)時(shí),28課堂+4實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)課:時(shí)間待定課程主要內(nèi)容、難點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法主要內(nèi)容:傅里葉變換、離散時(shí)間系統(tǒng)的變換域分析、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)難點(diǎn)1:理論性強(qiáng),公式多,概念抽象難點(diǎn)2:課時(shí)有限,教學(xué)內(nèi)容多基本概念、核心理論、思考與分析方法重視關(guān)鍵公式推導(dǎo)及課后練習(xí)重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),加深概念理解在有限的課時(shí)內(nèi)高效地組織學(xué)習(xí)教學(xué)內(nèi)容培養(yǎng)興趣,充分發(fā)揮學(xué)習(xí)主動(dòng)性,自學(xué)參考資料利用Internet

2、擴(kuò)大知識(shí)面,了解學(xué)科發(fā)展背景和發(fā)展動(dòng)態(tài) 學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本理論時(shí)域與變換域分析理論,抽樣定理,譜估計(jì)理論掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本方法數(shù)字化分析方法,濾波器設(shè)計(jì)方法,快速算法掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本技術(shù)DSP軟件仿真分析技術(shù),DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù)提高應(yīng)用DSP理論和技術(shù)解決問(wèn)題的實(shí)踐能力學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用,工程實(shí)際應(yīng)用,綜合交叉應(yīng)用考試和考核方式 平時(shí)成績(jī)40%(包括出勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告) 期終考試60%(開(kāi)卷)參考書(shū)數(shù)字信號(hào)處理教程(第4版),清華大學(xué)出版社,程佩青,2012數(shù)字信號(hào)處理:系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)(第2版),機(jī)械工業(yè)出版社,張?zhí)?、于迎霞?013數(shù)字信號(hào)處理基于計(jì)算機(jī)的方法(第三版

3、)(中英文版),Mitra著,電子工業(yè)出版社.離散時(shí)間信號(hào)處理,美A.V.奧本海姆,科學(xué)出版社數(shù)字信號(hào)處理使用MATLAB, 維納.K.恩格爾 約翰.G.普羅克斯 ,劉樹(shù)棠譯,西安交通大學(xué)出版社.基于MATLAB的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)-信號(hào)處理,樓順天等編著,西安電子科技出版社. 緒 論 信號(hào) 系統(tǒng) 信號(hào)處理 數(shù)字信號(hào)處理 數(shù)字信號(hào)處理器二、數(shù)字信號(hào)處理的起源與特點(diǎn)一、基本概念 1. 信號(hào)信號(hào):信息的物理體現(xiàn)形式,或是傳遞信息的函數(shù)信息:信號(hào)的具體內(nèi)容如電信號(hào)、光信號(hào)、熱信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)等信號(hào)是信息的表現(xiàn)形式,信息則是信號(hào)的具體內(nèi)容 1. 信號(hào)信號(hào)波形:被測(cè)信號(hào)的信號(hào)幅度隨時(shí)間的變化歷程稱為信號(hào)的波形

4、信號(hào)波形圖:用被測(cè)物理量的強(qiáng)度作為縱坐標(biāo),用時(shí)間做橫坐標(biāo),記錄被測(cè)物理量隨時(shí)間的變化情況。信號(hào)分類主要是依據(jù)信號(hào)波形特征來(lái)劃分0At振動(dòng)弦(聲源)聲級(jí)計(jì)記錄儀 1. 信號(hào)從信號(hào)描述上分類確定性信號(hào):可以用明確數(shù)學(xué)關(guān)系式描述,任意時(shí)刻能精 確確定信號(hào)取值非確定性信號(hào)(隨機(jī)信號(hào)):任意時(shí)刻不能精確確定信號(hào)取值 1. 信號(hào)簡(jiǎn)單周期信號(hào)復(fù)雜周期信號(hào)準(zhǔn)周期信號(hào)瞬態(tài)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性變異平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)一維信號(hào):多以時(shí)間或頻率表示,如語(yǔ)音信號(hào)(時(shí)間變量)二維信號(hào):如黑白圖像(空間坐標(biāo))多維信號(hào):如流媒體電視信號(hào),x,y坐標(biāo)及時(shí)間t 1. 信號(hào)按信號(hào)自變量個(gè)數(shù)可分為一維信號(hào)、二維信號(hào)、多維信號(hào)信號(hào)自變量

5、包括時(shí)間、空間、頻率或其他物理量連續(xù)時(shí)間信號(hào):時(shí)間連續(xù)、幅度可以連續(xù)也可以離散模擬信號(hào):時(shí)間與幅度均連續(xù)離散時(shí)間信號(hào):時(shí)間離散、幅度連續(xù),又稱抽樣信號(hào)或序列數(shù)字信號(hào):時(shí)間與幅度均離散 1. 信號(hào)本課程討論一維確定信號(hào)處理問(wèn)題的原理和實(shí)現(xiàn)方法,以及一些基本的應(yīng)用。絕大多數(shù)一維信號(hào)是時(shí)間的函數(shù),按時(shí)間(自變量)、幅度(因變量)可分為: 2. 系統(tǒng)系統(tǒng):處理信號(hào)的物理設(shè)備,即能將信號(hào)加以變換以達(dá)到人們要求的各種設(shè)備實(shí)際上系統(tǒng)是完成某種運(yùn)算(操作)的,因此,可以把軟件編程看成是一種系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法系統(tǒng)可以是硬件的,也可以是軟件編程實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的分類(處理信號(hào)種類不同分類) 連續(xù)時(shí)間信號(hào)系統(tǒng)(模擬信號(hào)系統(tǒng))

6、 離散時(shí)間信號(hào)系統(tǒng) 數(shù)字系統(tǒng) 3. 信號(hào)處理信號(hào)處理(Signal Processing):對(duì)信號(hào)表示、變換、運(yùn)算等進(jìn)行處理的過(guò)程,以獲得人們所希望的信號(hào),從而達(dá)到提取信息,便于利用的目的信號(hào)處理可以用于溝通人類之間,或人與機(jī)器之間的聯(lián)系;用以探測(cè)我們周?chē)沫h(huán)境,并揭示出那些不易觀察到的狀態(tài)和構(gòu)造細(xì)節(jié),以及用來(lái)控制和利用能源與信息幾類典型的信號(hào)處理類型模擬信號(hào)處理-處理未被數(shù)字化的信號(hào),包括傳統(tǒng)收音機(jī)、電話、雷達(dá)以及電視系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理-處理已經(jīng)經(jīng)過(guò)數(shù)字化的信號(hào),可經(jīng)由數(shù)字電路如ASIC、FPGA、一般用途的微處理器或是電腦、數(shù)字信號(hào)處理芯片來(lái)進(jìn)行處理統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理 -分析并淬取信號(hào)的信息 4.

7、 數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing:DSP):將信號(hào)以數(shù)字方式表示并處理(分析、變換、濾波、檢測(cè)、調(diào)制、解調(diào))的理論和技術(shù),即用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工的理論和技術(shù)數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)理解為對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理,而不能理解為只對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,因而它既能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,又能處理模擬信號(hào)(當(dāng)然要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào))另外DSP也是Digital Signal Processor的簡(jiǎn)稱,即數(shù)字信號(hào)處理器,它是集成專用計(jì)算機(jī)的一種芯片,只有一枚硬幣那么大。有時(shí)人們也將DSP看作是一門(mén)應(yīng)用技術(shù),稱為DSP技術(shù)與應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理器防混疊模擬低通濾波器抽樣

8、保持量化編碼解碼抽樣保持平滑用模擬低通濾波器A/D轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)xa(t)模擬信號(hào)ya(n)數(shù)字信號(hào)x(n)數(shù)字信號(hào)y(n)對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣時(shí),若不能滿足采樣定理,采樣后信號(hào)的頻率就會(huì)重疊,即高于采樣頻率一半的頻率成分將被重建成低于采樣頻率一半的信號(hào)。這種頻譜的重疊導(dǎo)致的失真稱為混疊量化編碼不能瞬時(shí)完成,因此抽樣保持既要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣(時(shí)間離散化)又要將抽樣的幅度保持以完成量化編碼,量化編碼將送入的抽樣保持信號(hào)的幅度加以量化并形成二進(jìn)制編碼信號(hào)(數(shù)字信號(hào)) 4. 數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)DSP 4. 數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng) 5. 數(shù)字信號(hào)處理器數(shù)字信號(hào)處理器:DS

9、P芯片,是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器,其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特點(diǎn)在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi),可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)片內(nèi)具有快速RAM,通??赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)具有低開(kāi)銷或無(wú)開(kāi)銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持快速的中斷處理和硬件I/O支持具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器可以并行執(zhí)行多個(gè)操作支持流水線操作,使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行 6. 為什么需要數(shù)字信號(hào)處理信息技術(shù)革命是人類歷史上的第四次革命第一次革命:石器時(shí)代,直立行走使人類解放了自己的手;第二次

10、革命:十八世紀(jì),以蒸汽機(jī)為先導(dǎo)的工業(yè)革命;第三次革命:十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初,以電器技術(shù)為先導(dǎo)的電器產(chǎn)業(yè)革命;第四次革命:二十世紀(jì),從五十年代開(kāi)始到八十年代,以電子和信息技術(shù)為先導(dǎo)引起的一場(chǎng)信息產(chǎn)業(yè)革命。從模擬到數(shù)字是第四次革命的主要特征 6. 為什么需要數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理已深入我們生活的各方面,如手機(jī)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、ADSL、數(shù)字錄像機(jī)、數(shù)字電視,有線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)碼相機(jī)、MP3、MP4等我們的世界是模擬的,面對(duì)的是模擬信號(hào)。為什么不直接用模擬信號(hào)處理技術(shù),而要采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)呢?數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、更方便數(shù)字信號(hào)處理抗干擾能力強(qiáng)CMOS技術(shù)的發(fā)展,可以低成本方式實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理

11、系統(tǒng)。而模擬信號(hào)處理不但無(wú)法從CMOS管縮小過(guò)程中受益,而且受害,一個(gè)100uH的小電感,占用的硅片面積就相當(dāng)于1個(gè)處理器占用的面積數(shù)字信號(hào)處理更靈活模擬信號(hào)處理易受各種干擾,尤其是電磁干擾。但數(shù)字信號(hào)處理只涉及到0和1兩種狀態(tài),對(duì)噪聲的免疫能力比模擬信號(hào)處理強(qiáng)了數(shù)百倍數(shù)字信號(hào)處理受環(huán)境影響小模擬信號(hào)處理受溫度和濕度等環(huán)境因素影響,環(huán)境溫度一變,整個(gè)處理系統(tǒng)的參數(shù)就發(fā)生變化。而數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)基本不受環(huán)境溫度和濕度的影響。改變數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的功能只要修改處理程序就可以,整個(gè)系統(tǒng)的硬件不需要改變。模擬系統(tǒng)處理系統(tǒng)則不然,需要重新布局和布線,重新制作整個(gè)硬件系統(tǒng)。典型的信號(hào)處理運(yùn)算時(shí)域(time

12、 domain):描述信號(hào)隨時(shí)間的變化頻域(frequency domain):信號(hào)的頻譜(spectrum)頻譜:對(duì)信號(hào)中所含頻率分量的描述,有該頻率處的頻譜幅度表示。通常用FFT(快速傅立葉變換)計(jì)算中音C和弦CEG典型的信號(hào)處理操作基本時(shí)域操作縮放(scaling)積分(integration)求導(dǎo)(differentiation)延時(shí)(delay)加(addition)乘(product)典型的信號(hào)處理操作濾波(filtering )濾波:讓某些頻率分量無(wú)失真地通過(guò)系統(tǒng),阻止另外的頻率分量通過(guò),以此改變信號(hào)的頻率特性濾波器:完成濾波功能的系統(tǒng)濾波器類型低通濾波器(low pass fi

13、lter):通低頻,阻高頻高通濾波器(high pass filter):與低通濾波器相反帶通濾波器(band pass filter):允許一定頻帶內(nèi)的頻率通過(guò)帶阻濾波器(band stop filter):允許一定頻帶以外的所有頻率通過(guò)多帶濾波器(multiband filter):多個(gè)通帶和阻帶梳狀濾波器(comb filter):濾除某一頻率的整數(shù)倍頻率 主要參數(shù):通帶(pass band)、阻帶(stop band)、截止頻率(cut-off frequency)典型的信號(hào)處理操作數(shù)字濾波舉例CEG基頻CE基頻C基頻和弦CEG數(shù)字濾波舉例數(shù)字信號(hào)處理發(fā)展歷程1669: Newton

14、偶然發(fā)現(xiàn)了光譜,卻沒(méi)有意識(shí)到”頻率”的概念1807: Fourier 分析誕生19th / 20th century: 出現(xiàn)了兩種Fourier分析方法- Continuous & Discrete1965 - IBMs Cooley & Tukey 發(fā)明了FFT (Fast Fourier Transform ) 算法,使FFT得以在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上快速實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著DSP學(xué)科的產(chǎn)生1978 出現(xiàn)第一塊DSP芯片(TI)80年代 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、微電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了專用的離散時(shí)間信號(hào)處理高速定點(diǎn)、浮點(diǎn)計(jì)算器90年代至今 :DSP技術(shù)發(fā)展迅速,滲入到人們學(xué)習(xí)、工作、生活各方各面

15、;同時(shí)出現(xiàn)了新的DSP理論和方法,如現(xiàn)代譜分析、小波等數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科介紹及應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理的基本工具微積分,概率統(tǒng)計(jì),隨機(jī)過(guò)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(hào)處理的理論基礎(chǔ)離散線性變換(LSI)系統(tǒng)理論,離散傅里葉變換(DFT)在學(xué)科發(fā)展上,數(shù)字信號(hào)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(shí)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)數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科介紹及應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科內(nèi)容信號(hào)的采集:包括A/D,D/A技術(shù)、抽樣定理、量化噪聲理論等離散信號(hào)分析:離散時(shí)間信號(hào)時(shí)域及頻域分析、離散付里葉變換(DFT)理論離散系統(tǒng)分析信號(hào)處理的快速算法 :譜分析與快速

16、付里葉變換(FFT),快速卷積與相關(guān)算法濾波技術(shù)信號(hào)的估計(jì):各種估值理論、相關(guān)函數(shù)與功率譜估計(jì)信號(hào)的壓縮:包括語(yǔ)音信號(hào)與圖象信號(hào)的壓縮信號(hào)的建模:包括AR,MA,ARMA等各種模型其他特殊算法:同態(tài)處理、抽取與內(nèi)插、信號(hào)重建等數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用工作站和微機(jī)上各廠家的數(shù)字信號(hào)軟件,如有各種圖象壓縮和解壓軟件數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法采用大、中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī) 市場(chǎng)上推出專門(mén)用于FFT,FIR濾波器,卷積、相關(guān)等專用數(shù)字芯片。其軟件算法已在芯片內(nèi)部用硬件電路實(shí)現(xiàn),使用者只需給出輸入數(shù)據(jù),可在輸出端直接得到數(shù)據(jù)用單片機(jī)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)。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(hào)處理的指令(如FFT指令)等。 美國(guó)德州儀器公司Texas Instrument(IT), Analog Devices ,Lucent , Motorola ,AT&T等公司都有生產(chǎn)利用特殊用途的DSP芯片數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法用通用的可編程的數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)法是目前重要的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法,它即有硬件實(shí)現(xiàn)法實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn),又具有軟件實(shí)現(xiàn)的靈活性優(yōu)點(diǎn)。DSP的典型應(yīng)

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