數(shù)字信號(hào)處理概述課件

2023/3/14數(shù)字信號(hào)處理及應(yīng)用2011-09-23教材及參考書(shū)目1.數(shù)字信號(hào)處理教程程佩青清華大學(xué)出版社2.A.V.奧本海姆R.W.謝弗J.R.巴克編著劉樹(shù)堂黃建國(guó)譯《離散時(shí)間信號(hào)處理》（第2版）西安交通大學(xué)出版社2001年3.DigitalSignalProcessing:Principles,Algorithms,andApplicationsFourthEdition.JohnG.Proakis,DimitrisG.Manolakis.電子工業(yè)出版社，2010年4.數(shù)字信號(hào)處理（MATLAB版），VinayK.Ingle,JohnG.Proakis.西安交通大學(xué)出版社，20082023/3/14NCU講授內(nèi)容共54學(xué)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理理論DSP控制器原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)（18學(xué)時(shí)）2023/3/14NCUDSP控制器原理及應(yīng)用

DSP器件概述DSP總體結(jié)構(gòu)DSP外設(shè)DSP指令系統(tǒng)DSP開(kāi)發(fā)環(huán)境2023/3/14NCU數(shù)字信號(hào)處理概述為何要上數(shù)字信號(hào)處理?在過(guò)去的數(shù)十年中，數(shù)字信號(hào)處理(DSP)的領(lǐng)域，無(wú)論在理論上還是技術(shù)上都有非常重要的發(fā)展。由于工業(yè)上開(kāi)發(fā)和利用廉價(jià)的硬件和軟件，使不同領(lǐng)域的新工藝和新應(yīng)用現(xiàn)在都想利用DSP算法，運(yùn)用DSP處理器，故成為研究生教學(xué)內(nèi)容。2023/3/14NCU電子信息發(fā)展時(shí)代70年代：消費(fèi)電子時(shí)代：關(guān)鍵產(chǎn)品：彩電，錄象機(jī)等

主要獲勝者：日本/Sony，JVC，Panasonic

制勝的策略：強(qiáng)大的制造能力、質(zhì)量及設(shè)計(jì)能力80年代：計(jì)算機(jī)時(shí)代：關(guān)鍵產(chǎn)品：PC，硬盤，打印機(jī)等主要獲勝者：USA/Intel，Microsoft

制勝的策略：通用PC平臺(tái)，軟件制造90年代：數(shù)字信號(hào)時(shí)代：關(guān)鍵產(chǎn)品：個(gè)人通信機(jī)，網(wǎng)絡(luò)接入主要獲勝者：？？？制勝的策略：數(shù)字信息技術(shù)，產(chǎn)品創(chuàng)新21世紀(jì)：因特網(wǎng),數(shù)碼時(shí)代：關(guān)鍵產(chǎn)品：網(wǎng)絡(luò)，DSP&Analog主要獲勝者：？？？2023/3/14NCU一、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)

(DigitalSignalProcessing)凡是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字硬件、對(duì)數(shù)字信號(hào)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(cè)、參數(shù)提取、頻譜分析等。對(duì)于DSP:狹義理解可為DigitalSignalProcessor數(shù)字信號(hào)處理器。廣義理解可為DigitalSignalProcessing譯為數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。在此我們討論的DSP的概念是指廣義的理解。2023/3/14NCU1.信號(hào)信號(hào)是一種物理體現(xiàn)。在信號(hào)處理領(lǐng)域中，信號(hào)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(hào)------>電信號(hào)，經(jīng)處理的電信號(hào)--->傳感器--->真實(shí)世界的物理信號(hào)。如現(xiàn)實(shí)生活中最常見(jiàn)的傳感器是話筒、揚(yáng)聲器話筒(將聲壓變化)--->電壓信號(hào)-->空氣壓力信號(hào)(揚(yáng)聲器)2023/3/14NCU2.信號(hào)的最基本的參數(shù)頻率和幅度3-30kHz:VerylowfrequencyVLF(潛水艇導(dǎo)航)30-300kHz:LowfrequencyLF(潛水艇通信)300~3000kHz:Mediumfrequency(調(diào)幅廣播)3-30MHz:Highfrequency(HF)(無(wú)線電愛(ài)好者，國(guó)際廣播，軍事通信無(wú)繩電話，電報(bào)，傳真)30-300MHz:VeryHighfrequency(VHF)(調(diào)頻FM，VHF電視)0.3~3GHz:Ultrahighfrequency(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(tīng)到，當(dāng)強(qiáng)度足夠大，能被感覺(jué)到。(處于VLFVerylowfrequency)頻率20Hz~20KHz稱為聲波，Lowfrequency(處于LF)頻率>20KHz稱為超聲波，具有方向性，可以成束(處于LF)2023/3/14NCU(1)連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)連續(xù)信號(hào)：指隨時(shí)間信號(hào)而連續(xù)變化的信號(hào)。離散信號(hào)：只有在離散的時(shí)間點(diǎn)有確定的值。它通常都是通過(guò)對(duì)連續(xù)信號(hào)采樣而得到的。(2)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：指幅度連續(xù)的信號(hào)，通常指時(shí)間和幅度上都是連續(xù)的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)：時(shí)間和幅度上都是離散的信號(hào)。x(t)tx(tn)tnx(n)n采樣模數(shù)保持轉(zhuǎn)換(3)確定性信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)確定性信號(hào)：它的每一個(gè)值可以用有限個(gè)參量來(lái)唯一地加以描述。例：直流信號(hào)：僅用一個(gè)參量可以描述。階躍信號(hào)：可用幅度和時(shí)間兩個(gè)參量描述。正弦波信號(hào)：可用幅度、頻率和相位三個(gè)參量來(lái)描述。

隨機(jī)信號(hào)：不能用有限的參量加以描述。也無(wú)法對(duì)它的未來(lái)值確定地參預(yù)測(cè)。它只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來(lái)描述(概率密度函數(shù)來(lái)描述)。例：許多自然現(xiàn)象所發(fā)生的信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)、圖象信號(hào)、噪聲都是隨機(jī)信號(hào)。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(hào)處理的學(xué)科概貌

1.數(shù)字信號(hào)處理開(kāi)端在國(guó)際上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里葉變換(FFT)的問(wèn)世，作為數(shù)字信號(hào)處理這一學(xué)科的開(kāi)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(hào)處理領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)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，離散付里葉變換(DFT)。

3.“數(shù)字信號(hào)處理”又成為一些學(xué)科的理論基礎(chǔ)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)。三、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成以下所討論的是模擬信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng).前置預(yù)濾波器A/D變換器數(shù)字信號(hào)處理器D/A變換器模擬濾波器模擬Xa(t)PrFADCDSPDACPoF模擬Ya(t)(1)前置濾波器將輸入信號(hào)xa(t)中高于某一頻率(稱折疊頻率，等于抽樣頻率的一半)的分量加以濾除。(2)A/D變換器由模擬信號(hào)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，抽樣后的信號(hào)稱為離散信號(hào)。(4)D/A變換器由一個(gè)進(jìn)制流產(chǎn)生一個(gè)階梯波形，是形成模擬信號(hào)的第一步。(5)后置濾波器把階梯波形平滑成預(yù)期的模擬信號(hào)。以濾除掉不需要的高頻分量，生成所需的模擬信號(hào)ya(t).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(hào)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(hào)處理的應(yīng)用場(chǎng)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)。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。目前市場(chǎng)上的DSP芯片有：美國(guó)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系列第三個(gè)問(wèn)題

數(shù)字信號(hào)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(zhǎng)就可達(dá)10-5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(hào)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(chǔ)器內(nèi)，只需改變存儲(chǔ)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(duì)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(hào)：如地震波分析，需要過(guò)濾幾Hz~幾十Hz的信號(hào)，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(hào)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(hào)。某一路信號(hào)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(hào)，而各路信號(hào)則利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信號(hào)后，再算另一路信號(hào)，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(duì)信號(hào)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(zhǎng)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(chǔ)單元，可以存儲(chǔ)一幀或數(shù)幀圖象信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二維甚至多維信號(hào)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(hào)。(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(duì)一些要求不高的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，還不宜使用。第四個(gè)問(wèn)題

數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域自20世紀(jì)60年代以來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用已成為一種明顯的趨勢(shì)，這與它突出優(yōu)點(diǎn)分不開(kāi)的。數(shù)字信號(hào)處理大致可分為：信號(hào)分析信號(hào)濾波一、信號(hào)分析任務(wù)：涉及信號(hào)特性的測(cè)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(yǔ)音分析說(shuō)話人識(shí)別目標(biāo)檢測(cè)Copyright?2005.ShiPingCUCreturnThesoundsignalisanexampleofa1-DsignalwheretheindependentvariableistimeCopyright?2005.ShiPingCUCCopyright?2005.ShiPingCUC二、信號(hào)濾波任務(wù)：是信號(hào)入--->信號(hào)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(hào)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(yǔ)音合成，圖象處理，測(cè)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(wú)線通信3.家電4.另外還有虛擬現(xiàn)實(shí)，噪聲對(duì)消技術(shù)，電機(jī)控制，圖像處理等等可以說(shuō)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CPU在PC時(shí)代的地位是一樣的。四、舉例

1.語(yǔ)音處理它是最早采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的領(lǐng)域之一。本世紀(jì)50年代提出語(yǔ)音形成數(shù)字模型，經(jīng)過(guò)十多年對(duì)語(yǔ)音的分析、綜合、證明是正確的。在語(yǔ)音領(lǐng)域現(xiàn)存在著三種系統(tǒng)：語(yǔ)音分析系統(tǒng)：(自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，它能識(shí)別語(yǔ)音，辨認(rèn)說(shuō)話的人是誰(shuí)，而且破譯后，能立即作出決斷。語(yǔ)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(huì)說(shuō)話玩具，家用電器(CD,VCD,DVD)。語(yǔ)音分析綜合系統(tǒng)：語(yǔ)音存儲(chǔ)和檢索系統(tǒng)。即廣泛應(yīng)用于電話竊聽(tīng)。即應(yīng)用于語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音增強(qiáng)、說(shuō)話人確認(rèn)、語(yǔ)音郵件、語(yǔ)音存儲(chǔ)等。版權(quán)所有違者必究DSP的典型應(yīng)用——網(wǎng)絡(luò)音頻系統(tǒng)2.圖像處理數(shù)字信號(hào)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(jí)表示，所以要求高性能的處理機(jī)、高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。即要求高速度硬件。Ablack-and-whiteimagesignalisanexampleofa2-Dsignalwherethe2independentvariablesarethe2spatialvariables.Copyright?2005.ShiPingCUCAcolorimagesignalisa3-channelsignalcomposedofthree2-Dsignalsrepresentingthethreeprimarycolor:red,greenandblue(RGB)Copyright?2005.ShiPingCUCAblack-and-whitevideosignalisanexampleofa3-Dsignalwherethe3independentvariablesarethe2spatialvariablesandthetimevariable.Copyright?2005.ShiPingCUCAcolorvideosignalisa3-channelsignalcomposedofthree3-Dsignalsrepresentingthethreeprimarycolor:red,greenandblue(RGB)Copyright?2005.ShiPingCUCOriginalImageBlurredImageRestoredImage3.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(cè)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(ài)國(guó)者導(dǎo)彈對(duì)飛毛腿導(dǎo)彈)。雷達(dá)系統(tǒng)是應(yīng)用高性能數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的一個(gè)例子。雷達(dá)系統(tǒng)主要信號(hào)處理功能包括：信號(hào)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)。DSP的典型應(yīng)用——雷達(dá)4.通信整個(gè)通信領(lǐng)域幾乎沒(méi)有不受數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)影響的地方。數(shù)字技術(shù)已用于信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)、濾波、混頻、檢波和多路傳輸?shù)葐?wèn)題中。語(yǔ)音數(shù)據(jù)壓縮與解壓是數(shù)字信號(hào)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(cè)，回波清除、數(shù)字開(kāi)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(hào)處理功能，已由單塊集成電路實(shí)現(xiàn)。版權(quán)所有違者必究DSP的典型應(yīng)用——通信手機(jī)5.電話、電報(bào)下面介紹它們?cè)谕ㄓ嵵械膽?yīng)用大家知道，脈沖編碼調(diào)制通訊（簡(jiǎn)稱PCM）的主要有的是抗干擾性強(qiáng)。但是，要對(duì)語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音數(shù)碼率。語(yǔ)音壓縮編碼的方法很多，如自適應(yīng)差分脈調(diào)制（ADPCM），32千比特/秒的數(shù)碼率達(dá)到了長(zhǎng)途電話的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，且復(fù)雜程度較低，1988年被CCITT（國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)）建議為長(zhǎng)途傳輸中的一種新型國(guó)際通用語(yǔ)音編碼方法。DSP的典型應(yīng)用——數(shù)字無(wú)線電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(zhǎng)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(lái)，在國(guó)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(yǔ)音，可以使敵方對(duì)此信號(hào)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(guó)發(fā)展很快，安裝電話的用戶與日俱增，移動(dòng)通信已開(kāi)始全國(guó)聯(lián)網(wǎng)。現(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)據(jù)通信業(yè)務(wù)。到本世紀(jì)末，通訊將超過(guò)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(hào)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(guó)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)版權(quán)所有違者必究DSP的典型應(yīng)用——ADSL網(wǎng)絡(luò)接入(AsymmetricalDigitalSubscriberLoop,非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)線)版權(quán)所有違者必究DSP的典型應(yīng)用——ADSL的DMT調(diào)制器框圖版權(quán)所有違者必究DSP的典型應(yīng)用——DigitalSpeake