數(shù)字信號(hào)處理-01緒論

數(shù)字信號(hào)處理

DigitalSignalProcessing(DSP)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)水平獲得空前提高。數(shù)字信號(hào)處理是一門理論和技術(shù)發(fā)展十分迅速、廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的前沿交叉性學(xué)科。它研究把信號(hào)用數(shù)字或符號(hào)表示成序列，通過(guò)計(jì)算機(jī)或通用（專用）信號(hào)處理設(shè)備，用數(shù)字的數(shù)值計(jì)算方法處理，提取有用信息便于應(yīng)用的客觀規(guī)律性。第1章緒論1.1信號(hào)的分類1.信號(hào)：信號(hào)是信息的載體，可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。信號(hào)傳遞信息的函數(shù)也是獨(dú)立變量的函數(shù)，這個(gè)變量可以是時(shí)間、空間位置等。2.連續(xù)信號(hào)：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。3.模擬信號(hào)是連續(xù)信號(hào)的特例。時(shí)間和幅度均連續(xù)。4.離散信號(hào)：時(shí)間上不連續(xù)，幅度連續(xù)。5.數(shù)字信號(hào)：幅度量化，時(shí)間和幅度均不連續(xù)。離散信號(hào)是只在一組特定的時(shí)刻取數(shù)值，在其它時(shí)間不取值或數(shù)值為零的信號(hào)，因此又稱為離散時(shí)間信號(hào)。如果離散信號(hào)的幅度值離散(量化)，即將幅度值量化為二進(jìn)制代碼序列，則為數(shù)字信號(hào)。因此，數(shù)字信號(hào)就是用數(shù)字序列表示的信號(hào)。圖像信號(hào)經(jīng)取樣和量化后，得到一個(gè)二維的離散空間數(shù)字序列。圖1-1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的關(guān)系ttnx(n)n采樣模數(shù)

保持轉(zhuǎn)換

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)甚低頻30-300kHz:LowfrequencyLF(潛水艇通信)低頻300~3000kHz:Mediumfrequency(調(diào)幅廣播)中頻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)高頻30-300MHz:VeryHighfrequency(VHF)(調(diào)頻FM，甚高頻電視)0.3~3GHz:Ultrahighfrequency(UHF)(UHF電視，蜂窩電話，雷達(dá)，微波，個(gè)人通信)超高頻頻率低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(jué)到。(處于VLFVerylowfrequency)甚低頻頻率20Hz~20KHz稱為聲波，Lowfrequency(處于LF)低頻頻率>20KHz稱為超聲波，具有方向性，可以成束(處于LF)1．2數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)信息用一定形式的信號(hào)被表示，這樣才能容易被檢測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)、顯示。數(shù)字信號(hào)是數(shù)據(jù)或符號(hào)序列，對(duì)這些序列進(jìn)行加、減、乘以及邏輯運(yùn)算等各種數(shù)學(xué)運(yùn)算。這與模擬信號(hào)是不同的。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在離散時(shí)間信號(hào)的處理是主要的。大家將看到，在第五章以前，涉及的都是離散時(shí)間信號(hào)處理，即只涉及信號(hào)在時(shí)間上離散這一特征。在考慮了第九章中討論的由于量化編碼的有限字長(zhǎng)效應(yīng)，才能稱之為數(shù)字信號(hào)處理。但隨著計(jì)算機(jī)性能的逐步提高，以前重要的有限字長(zhǎng)效應(yīng)分析現(xiàn)在變得次要起來(lái)。這樣看來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科有著寬廣而堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，主要是離散線性變換(LSI)系統(tǒng)理論和離散付里葉變換(DFT)理論。具體地說(shuō)，主要包括：信號(hào)采集（A/D技術(shù)、抽樣定理、多抽樣率、量化噪聲分析等）；離散信號(hào)時(shí)域及頻域分析和各種變換技術(shù)等；信號(hào)處理中的快速傅立葉變換和快速卷積與相關(guān)等；數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等；信號(hào)估值理論、相關(guān)函數(shù)與功率譜估計(jì)等；信號(hào)處理技術(shù)的軟硬件實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用。它的基本數(shù)學(xué)工具是微積分，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)變函數(shù)等。相對(duì)于技術(shù)的發(fā)展，其基本理論較為穩(wěn)定。圖1-2是一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)示意圖。

A/D變換器通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)采樣保持器D/A變換器模擬低通濾波器模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)圖1-2數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)示意圖連續(xù)時(shí)間信號(hào)連續(xù)時(shí)間信號(hào)模擬信號(hào)的數(shù)字化數(shù)字信號(hào)數(shù)碼量化電平模擬信號(hào)采樣保持信號(hào)量化電平數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)碼量化電平D/A輸出信號(hào)模擬信號(hào)D/A輸出模擬濾波輸出1．3數(shù)字信號(hào)處理發(fā)展的動(dòng)力1）應(yīng)用領(lǐng)域

隨著數(shù)字信號(hào)處理理論和技術(shù)水平的不斷提高，其硬件產(chǎn)品，如TMS320C6000DSP高性能、易使用和低成本的特點(diǎn)使它成為多通道、多功能應(yīng)用場(chǎng)合的理想選擇；共享modem、無(wú)線基站、光傳輸基站、遠(yuǎn)程操作服務(wù)器(RAS)、DSL系統(tǒng)、Cablemodem、多通道電話系統(tǒng)、3D圖像虛擬實(shí)現(xiàn)、語(yǔ)音識(shí)別和處理、智能機(jī)器人、雷達(dá)、大氣模型和成像技術(shù)、無(wú)線多媒體通信和INTERNET等。各種數(shù)字信息系統(tǒng)DigitalMediaProcessingWebpadTelematicsWirelessDevices:

802.11,Bluetooth,OthersEnhanced

GamingMilitaryandGovernmentCellular,SecureConnectivityIndustry-Specific

PDAsBiometricsMedicalDevices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)?？梢哉f(shuō)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已在信息處理領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注和高度的重視。語(yǔ)音壓縮在ＧＳＭ手機(jī)中用ＤＳＰ可將語(yǔ)音壓縮至13ｋbsp,在InmarsatＭ衛(wèi)星電話中用ＤＳＰ將語(yǔ)音壓縮至4.3ｋbps后,仍具有良好的清晰度。在語(yǔ)音信箱、留言電話方面也都采用語(yǔ)音壓縮技術(shù)和ＤＳＰ。圖像處理數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于圖像處理有：（1）數(shù)據(jù)壓縮采用壓縮編碼，可在保證一定圖像（或聲音）質(zhì)量的條件下，以最小的數(shù)據(jù)率來(lái)表達(dá)和傳送圖像（或聲音）信息。（2）圖像復(fù)原（3）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。數(shù)字壓縮數(shù)據(jù)壓縮在一定條件下把原始信號(hào)所含信息數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,如語(yǔ)音、聲音、圖像信號(hào)中含有許多冗余信息,通過(guò)數(shù)字信號(hào)壓縮算法最大限度地去除這些信號(hào)中的冗余度,使壓縮后信號(hào)帶寬減小,提高傳輸效率。作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)可降低所需存儲(chǔ)介質(zhì)的容量。例如直徑為120ｍｍ的ＣＤ光盤,本來(lái)存儲(chǔ)的只是一套70分鐘的ＨｉＦｉ立體聲音樂(lè),現(xiàn)在可將70分鐘電視信號(hào)和音樂(lè)信號(hào)都?jí)嚎s到120ｍｍ的光盤上,即ＶＣＤ光盤。會(huì)議電視和可視電話采用ＤＳＰ完成視頻圖像信號(hào)的壓縮,制成可通過(guò)公用電話交換網(wǎng)(ＰＳＴＮ)傳輸?shù)臅?huì)議電視或可視電話。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)。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。(占60%）DSP主要應(yīng)用于通信的熱門產(chǎn)品中。如：蜂窩電話（Cellularphone)、ADSL調(diào)制解調(diào)器、線纜調(diào)制解調(diào)器(Cablemodem)、藍(lán)牙技術(shù)(bluetooth)產(chǎn)品，數(shù)字電話應(yīng)答機(jī)（digitaltelephoneansweringdevice)、全球定位系統(tǒng)（globalpositioningsystem,GPS），衛(wèi)星電話(satellitephone)、電話會(huì)議(conferencespeakerphone)、電視電話會(huì)議編譯碼器(videoconferencingcode)、IP電話(voiceoverIP)、IP傳真(faxoverIP)、ATM電話(voiceoverATM)、智能天線(smartantenna)、PCS用戶端(subscriberset)?；芈暤窒b置利用通信衛(wèi)星打越洋長(zhǎng)途電話時(shí),因靜止衛(wèi)星離地球表面36000ｋｍ,通信延時(shí)為0.24ｓ,就會(huì)在話機(jī)中聽到自己的講話,影響正常通話,現(xiàn)在采用了ＤＳＰ做的回聲抵消器,可把回聲抑制掉。調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器(Ｍｏｄｅｍ)。為在電話線上傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù),采用ＤＳＰ可做成符合ＩＴＵ規(guī)定的各種調(diào)制解調(diào)器,尤其是符合Ｖ.32、Ｖ.33、Ｖ.34建議的高速Ｍｏｄｅｍ,都可用ＤＳＰ軟件加以實(shí)現(xiàn)電話、電報(bào)脈沖編碼調(diào)制PCM：抗干擾性強(qiáng)。但其對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行PCM編碼，碼率64kb/s。為了提高信道的利用率，必須壓縮語(yǔ)音碼率。語(yǔ)音壓縮編碼的方法很多，如自適應(yīng)差分脈調(diào)制（ADPCM），32kb/s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。擴(kuò)頻通信與數(shù)據(jù)壓縮相反。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，采用了擴(kuò)頻通信技術(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。OFDM(正交頻分復(fù)用)通信技術(shù)OFDM（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing）正交頻分復(fù)用作為一種多載波傳輸技術(shù)，主要應(yīng)用于數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)、MMDS（multichannelmultipointdistributionservice）多信道多點(diǎn)分布服務(wù)和WLAN服務(wù)以及下一代陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)。OFDM將數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后調(diào)制為射頻信號(hào)。不像常規(guī)的單載波技術(shù)，如AM/FM（調(diào)幅/調(diào)頻）在某一時(shí)刻只用單一頻率發(fā)送單一信號(hào)，OFDM在經(jīng)過(guò)特別計(jì)算的正交頻率上同時(shí)發(fā)送多路高速信號(hào)?？蛇x用基于IFFT/FFT的OFDM實(shí)現(xiàn)方法.近年來(lái)，OFDM作為一種可以有效對(duì)抗信號(hào)波形間干擾的高速傳輸技術(shù)將被更廣泛應(yīng)用于寬帶移動(dòng)通信領(lǐng)域。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理生物醫(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。消費(fèi)類電子產(chǎn)品的應(yīng)用在消費(fèi)類電子產(chǎn)品（consumerelectronics)采用ＤＳＰ技術(shù)已越來(lái)越多。例如:(1)ＣＤ唱機(jī)。在所有ＣＤ唱機(jī)和ＶＣＤ光盤驅(qū)動(dòng)器中都采用ＤＳＰ做信號(hào)解調(diào)和誤碼校正,保證ＨｉＦｉ聲音（采用1.4Ｍｂ/ｓ回放）或優(yōu)質(zhì)圖像的回放.數(shù)字多用光盤（DVDdigitalversatiledisk)、數(shù)字電視/高清晰電視(digitalTV/HDTV)、數(shù)字助聽器(digitalhearingaid),數(shù)字相機(jī)芯片(digitalcamerachip)、MPEG(MovingPictureExpertsGroup)編解碼芯片(encoderchip)、MPEG譯碼器芯片(decoderchip)、MP3播放機(jī)芯片(playerchip)、機(jī)頂盒(settopbox)。(2)組合音響。高級(jí)的組合音響現(xiàn)都用ＤＳＰ完成圍繞聲、各種環(huán)境聲場(chǎng)的模擬、混響、均衡等。在圖像處理方面，圖像數(shù)據(jù)壓縮是多媒體通信、影碟機(jī)(VCD或DVD)和高清晰度電視(HDTV)的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)際上先后制定的標(biāo)準(zhǔn)H.261、JPEG、MPEG-1和MPEG-2中均使用了離散余弦變換(DCT)算法。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的小波(Wavelet)變換也是一種具有高壓縮比和快速運(yùn)算特點(diǎn)的嶄新壓縮技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣闊，可望成為新一代壓縮技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。2)優(yōu)越性

精度高；數(shù)字系統(tǒng)里，