數(shù)字信號(hào)處理程佩青第三版0緒論課件

數(shù)字信號(hào)處理

DigitalSignalProcessing(DSP)教科書數(shù)字信號(hào)處理教程（第三版）程佩青清華大學(xué)出版社講授內(nèi)容0.緒論--DSP的發(fā)展和應(yīng)用1.離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)2.Z變換與離散時(shí)間傅里葉變換（DTFT）3.離散傅里葉變換（DFT）4.快速傅里葉變換（FFT）5.數(shù)字濾波器(DF)的結(jié)構(gòu)6.IIRDF的設(shè)計(jì)7.FIRDF的設(shè)計(jì)第一節(jié)

什么是數(shù)字信號(hào)處理一、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。1.信號(hào)(復(fù)習(xí))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)3.信號(hào)分類連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)確定性信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)(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4.信號(hào)處理濾波變換壓縮估計(jì)識(shí)別二、數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科概貌

1.數(shù)字信號(hào)處理開端在國(guó)際上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速傅里葉變換(FFT)的問世，作為數(shù)字信號(hào)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(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)。

4.數(shù)字信號(hào)處理基本學(xué)科分支數(shù)字信號(hào)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(hào)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(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。(3)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)按照預(yù)定要求，在處理器中將信號(hào)序列x(n)進(jìn)行加工處理得到輸出信號(hào)y(n).(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).數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法1.采用大、中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī)。2.用單片機(jī)。3.利用通用DSP芯片4.利用特殊用途的DSP芯片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。4.利用特殊用途的DSP芯片市場(chǎng)上推出專門用于FFT,FIR濾波器，卷積、相關(guān)等專用數(shù)字芯片。如：BB公司：DF17XX系列MAXIM公司：MAXIM27X,MAXIM28XNational公司：National-SEMI系列：MF系列。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)。第三節(jié)

數(shù)據(jù)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)用來說，還不宜使用。第四節(jié)

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，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)分析語音分析說話人識(shí)別目標(biāo)檢測(cè)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年代提出語音形成數(shù)字模型，經(jīng)過十多年對(duì)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(shí)別系統(tǒng)，它能識(shí)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(huì)說話玩具，家用電器(CD,VCD,DVD)。語音分析綜合系統(tǒng)：語音存儲(chǔ)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(shí)別、語音增強(qiáng)、說話人確認(rèn)、語音郵件、語音存儲(chǔ)等。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。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(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)。4.通信整個(gè)通信領(lǐng)域幾乎沒有不受數(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)葐栴}中。語音數(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)。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，必須壓縮語音數(shù)碼率。語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(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，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)通信已開始全國(guó)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)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(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)五、DSP技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1DSP技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，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(hào)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(shì)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(hào)處理2.數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科分支3.數(shù)字信號(hào)處理的基本組成4.數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法5.數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)6.數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域7.數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展趨勢(shì)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。數(shù)字信號(hào)處理基本學(xué)科分支數(shù)字信號(hào)濾波數(shù)字信號(hào)頻譜分析數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成前置預(yù)濾波器A/D變換器數(shù)