數(shù)字信號(hào)處理-課件 第1章 數(shù)字信號(hào)處理概述

*課程：數(shù)字信號(hào)處理

第1章數(shù)字信號(hào)處理概述

課程基本信息

課程性質(zhì)：必修課課程地位：電子信息類(lèi)和IT類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)課各重點(diǎn)大學(xué)碩士、博士考試課程之一總學(xué)時(shí)：48

授課：36

上機(jī)：12課程：數(shù)字信號(hào)處理

教材：數(shù)字信號(hào)處理，陳天華，清華大學(xué)出版社*緒論課講什么？*1）信號(hào)處理學(xué)科的內(nèi)容發(fā)展概貌2）數(shù)字信號(hào)處理課程的基礎(chǔ)概念1-1數(shù)字信號(hào)處理的基本概念第1章數(shù)字信號(hào)處理概述（緒論）1.信號(hào)及系統(tǒng)

信號(hào)——帶有信息的隨時(shí)間和空間變化的物理量或物理現(xiàn)象。信號(hào)是信息的物理表現(xiàn)形式，或者說(shuō)是傳遞信息的函數(shù)，而信息則是信號(hào)的具體內(nèi)容。*1）信號(hào)的分類(lèi)根據(jù)不同應(yīng)用目的，對(duì)信號(hào)有各種不同的分類(lèi)方法，同一信號(hào)，從不同角度分類(lèi)，可以歸于不同的類(lèi)別。常用的信號(hào)分類(lèi)方法有以下幾種：（1）按變量個(gè)數(shù)分類(lèi)可以分為一維信號(hào)、二維信號(hào)和多維信號(hào)。信號(hào)的變量可以是時(shí)間、頻率、空間或其它物理量（2）按周期性分類(lèi)可以分為周期信號(hào)和非周期信號(hào)。（3）根據(jù)信號(hào)概率特征分類(lèi)可以分為確定信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)。若信號(hào)在任意時(shí)刻具有確定的取值，則稱(chēng)為確定信號(hào)；若信號(hào)在任意時(shí)刻的取值不能確定，則稱(chēng)為隨機(jī)信號(hào)。（4）根據(jù)能量特性分類(lèi)可以分為能量信號(hào)和功率信號(hào)兩類(lèi)。若信號(hào)的能量E為有限值，則稱(chēng)為能量信號(hào)；若信號(hào)的功率P有限值，則稱(chēng)為功率信號(hào)。

（5）按載體分類(lèi)可以分為電信號(hào)、磁信號(hào)、聲信號(hào)、光信號(hào)、熱信號(hào)、機(jī)械信號(hào)。（6）根據(jù)變量的連續(xù)性分類(lèi)可以分為模擬信號(hào)、連續(xù)時(shí)間信號(hào)、離散時(shí)間信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。變量和函數(shù)的取值均有連續(xù)與離散兩種，因此，信號(hào)可以分為以下四種情況：模擬信號(hào)：時(shí)間和幅值均是連續(xù)的信號(hào)。連續(xù)時(shí)間信號(hào)：自變量時(shí)間是連續(xù)的信號(hào)。離散時(shí)間信號(hào)（或稱(chēng)序列）：自變量時(shí)間是離散的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)：時(shí)間離散、幅值量化的信號(hào)。一般情況下，連續(xù)時(shí)間信號(hào)和模擬信號(hào)不加嚴(yán)格區(qū)分，經(jīng)常通用；*但通常情況下：（2）離散時(shí)間信號(hào)和數(shù)字信號(hào)也不加嚴(yán)格區(qū)分，經(jīng)常通用；雖然根據(jù)定義，連續(xù)時(shí)間信號(hào)、模擬信號(hào)、離散時(shí)間信號(hào)、數(shù)字信號(hào)是不同的（1）連續(xù)時(shí)間信號(hào)和模擬信號(hào)不加嚴(yán)格區(qū)分，經(jīng)常通用；*2）信號(hào)的描述

信號(hào)需要加以描述才可以進(jìn)行研究和掌握其規(guī)律，進(jìn)而為人類(lèi)所認(rèn)識(shí)和利用。

信號(hào)的描述方法多種多樣，常用的方法主要包括數(shù)學(xué)描述、圖像（波形）描述兩種。

數(shù)學(xué)描述：指將信號(hào)表示為一個(gè)或若干個(gè)自變量的函數(shù)、數(shù)列或表格的形式。

圖像描述：指根據(jù)信號(hào)隨自變量變化的函數(shù)關(guān)系，將信號(hào)的波形繪出。*2.信號(hào)處理

數(shù)字信號(hào)處理是指根據(jù)需要用專(zhuān)用或通用計(jì)算機(jī)，以數(shù)字計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理與變換，如信號(hào)的濾波、變換、檢測(cè)、譜分析、估計(jì)、壓縮、識(shí)別等一系列的運(yùn)算和分析，以獲取應(yīng)用所需要的信號(hào)，從而達(dá)到便于提取信息或便于利用。DSP(DigitalSignalProcessing)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科。DSP另一種含義：DigitalSignalProcessor指DSP處理器。1.2數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)

*1.DSP系統(tǒng)的組成

（1）數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的一般組成框圖如下所示：

（2）各單元的作用*

前置預(yù)濾波器：濾除高于某一頻率的信號(hào)，防混迭失真。

A/D變換器：完成抽樣和量化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。如下圖所示：*抽樣量化信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理器的作用：

*D/A變換器：模擬濾波器：0y(t)**2.數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)2）硬件實(shí)現(xiàn)：①專(zhuān)用DSP芯片實(shí)現(xiàn)②通用DSP芯片實(shí)現(xiàn)③其它硬件方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)現(xiàn)既可以采用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件算法實(shí)現(xiàn)。1）軟件實(shí)現(xiàn)：

指采用通用的計(jì)算機(jī)或微機(jī)等設(shè)備，通過(guò)軟件代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的數(shù)字信號(hào)處理功能1)專(zhuān)用DSP芯片：專(zhuān)門(mén)應(yīng)用設(shè)計(jì)，用途單一3）DSP常用芯片2)通用DSP芯片：用途較廣泛，價(jià)格便宜如：TMS320C2000系列TMS320C5000系列TMS320C6000系列ADSP21系列*附注：DSP芯片的主要特點(diǎn)

1）采用哈佛體系結(jié)構(gòu)：程序與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間分開(kāi)，各有各的地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)

2）一個(gè)指令周期內(nèi)可以完成一次乘法和加法運(yùn)算

3）片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線(xiàn)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)兩快芯片4）快速的中斷處理和硬件I/O支持5）可以并行執(zhí)行多個(gè)操作6）具有在單周期內(nèi)操作的硬件地址產(chǎn)生器7）具有低開(kāi)銷(xiāo)和零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的意見(jiàn)支持8）支持流水線(xiàn)操作，指令、譯碼和執(zhí)行等都可以流水執(zhí)行*1-3

數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科概貌（研究?jī)?nèi)容）*

1.研究?jī)?nèi)容

1）信號(hào)的采集

實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化，包括取樣、量化。2）信號(hào)的分析

信號(hào)描述與運(yùn)算，各種變換，時(shí)域、頻域分析。3）系統(tǒng)分析線(xiàn)性系統(tǒng)與非線(xiàn)性系統(tǒng)，時(shí)變系統(tǒng)與非時(shí)變系統(tǒng)，線(xiàn)性時(shí)（移）不變系統(tǒng)，因果系統(tǒng)與非因果系統(tǒng)，線(xiàn)性時(shí)（移）不變因果系統(tǒng)。4）快速算法

FFT,WFT，快速卷積、相關(guān)算法。5）數(shù)字濾波技術(shù)(1)IIR數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)；(2)FIR數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)。6）信號(hào)的頻譜分析與估值確定信號(hào)：譜分析；隨機(jī)信號(hào)：相關(guān)計(jì)算、譜估計(jì)。7）特殊算法反卷積，信號(hào)重構(gòu)。8）數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)(1)在通用微機(jī)上，用軟件實(shí)現(xiàn);(2)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn);(3)專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP。*2.數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)*

1）精度高模擬系統(tǒng)：由元器件確定（10-3）；數(shù)字系統(tǒng)：由字長(zhǎng)確定。如14位字長(zhǎng)即可以達(dá)到10-4的精度。2）靈活性高數(shù)字系統(tǒng)的性能主要由乘法器的系數(shù)決定。3）可靠性高只有“0”和“1”兩個(gè)電平，受溫度噪聲影響小。4）容易集成規(guī)范性高，電路參數(shù)要求不高。5）時(shí)分復(fù)用：利用數(shù)字信號(hào)處理器同時(shí)處理幾個(gè)通道的信號(hào)。*6.可獲得高性能指標(biāo)如頻譜分析：模擬方法低端只能達(dá)到10Hz;數(shù)字方法可做10-3Hz的譜分析.7.便于二維與多維處理用存儲(chǔ)一禎或數(shù)禎圖象信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二、多維處理。8.速度高體積小數(shù)字信號(hào)處理器不僅運(yùn)算速度高，而且體積小。*

1-4應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展方向*

1.應(yīng)用領(lǐng)域

航空航天（神州五號(hào)、勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)等）

通信領(lǐng)域（手機(jī)、局端設(shè)備、ADSL、3G等）

地理信息系統(tǒng)（GPS等）

圖形圖象處理（幾乎全部數(shù)字圖象處理）

濾波與變換（生物信號(hào)的濾波、ECG信號(hào)分析）

醫(yī)療器械（如：B超、CT、核磁共振）

儀器儀表及工業(yè)控制領(lǐng)域（電力控制2812系列）

軍事科學(xué)（擴(kuò)頻通信、衛(wèi)星通信等）

語(yǔ)音分析與處理（語(yǔ)音信號(hào)的分析與模擬）*2.發(fā)展方向

1-4應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展方向

物聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備個(gè)性化是當(dāng)前信息化和數(shù)字化的特征，目前，硬件在朝更小面積、更低功耗和更高性能的高集成度解決方案上發(fā)展，DSP芯片業(yè)開(kāi)始從純粹的DSP芯片供應(yīng)商向廣義的DSP解決方案供應(yīng)商轉(zhuǎn)變。（1）智慧信息處理。即信號(hào)處理、通信和智能算法融合，其核心是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，它將智能技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)字多媒體技術(shù)緊密結(jié)合在一起，并將用于各類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之中。（2）網(wǎng)絡(luò)融合。將衛(wèi)星網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、公用電信網(wǎng)及各種專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)更好地結(jié)合在一起，并與家用信息設(shè)施相匹配。（3）個(gè)人信息終端。將個(gè)人通信系統(tǒng)與個(gè)人數(shù)字助理自然地結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)無(wú)時(shí)不有、無(wú)處不在的通信功能。（4）DSP內(nèi)核結(jié)構(gòu)提升。DSP的結(jié)構(gòu)主要是針對(duì)應(yīng)用，并根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化DSP設(shè)計(jì)以極大改進(jìn)產(chǎn)品的性能。*

（5）超高速和超微尺寸。在硬件方面，由于電子設(shè)備的個(gè)人化趨勢(shì)，DSP追求更高更快的運(yùn)算速度是硬件技術(shù)的方向與趨勢(shì)。DSP體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、功耗低、性能高。（6）DSP和微處理器的融合。微處理器是低成本的，主要執(zhí)行智能定向控制任務(wù)的通用處理器能很好執(zhí)行智能控制任務(wù)，而信號(hào)處理能力較弱，DSP的功能與之相反。未來(lái)趨勢(shì)是應(yīng)用中均需要同時(shí)具有智能控制和數(shù)字信號(hào)處理兩種功能。（7）定點(diǎn)DSP技術(shù)。雖然浮點(diǎn)DSP的運(yùn)算精度更高、動(dòng)態(tài)范圍更大，但定點(diǎn)DSP器件的成本較低，對(duì)存儲(chǔ)器的要求也較低，而且耗電更省。（8）DSP與可編程器件融合。FPGA和DSP集成在一塊芯片上，可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理，大大提高信號(hào)處理速度。本課程的特點(diǎn)*1.數(shù)學(xué)工具多涉及數(shù)學(xué)分析，概率論，數(shù)理統(tǒng)計(jì)，隨機(jī)過(guò)程，高等代數(shù)，數(shù)值分析，積分變換，復(fù)變函數(shù)等。

2.要求基礎(chǔ)好網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)是本課程的理論基礎(chǔ)。

3.與其它學(xué)科密切相連既與最優(yōu)控制、通信理論、故障診斷、計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)密不可分，又是人工智能、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)之一。數(shù)字信號(hào)處理涉及的主要基礎(chǔ)理論：DSP涉及基礎(chǔ)理論數(shù)學(xué)工具

專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)分析概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)隨機(jī)過(guò)程高等代數(shù)數(shù)值分析積分變換復(fù)變函數(shù)網(wǎng)絡(luò)理論信號(hào)與系統(tǒng)*推薦參考書(shū)

經(jīng)典的：1.A.V.Oppenheim，“DigitalSignalProcessing”,1975.中譯本有多種2.W.D.Stanley,“DigitalSignalProcessing”,1975.中譯本常迥譯1979.*

3.吳鎮(zhèn)揚(yáng)，數(shù)字信號(hào)的原理與實(shí)現(xiàn)，東南大學(xué).4.陳后金，數(shù)字信號(hào)處理，高等教育出版社，

2021.

5.丁玉美等，數(shù)字信號(hào)處理，西安電子科大，（第