《數(shù)字信號處理》課件

數(shù)字信號處理導(dǎo)論歡迎來到數(shù)字信號處理的世界！這門課程將帶您深入了解數(shù)字信號處理的基本概念、技術(shù)和應(yīng)用。課程概述與目標(biāo)課程內(nèi)容本課程將涵蓋數(shù)字信號處理的核心概念，包括信號與系統(tǒng)、傅里葉變換、Z變換、數(shù)字濾波器設(shè)計、多抽樣率信號處理、時頻分析、參數(shù)模型和自適應(yīng)濾波等。課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，您將能夠：理解數(shù)字信號處理的基本原理掌握常用的數(shù)字信號處理技術(shù)將數(shù)字信號處理應(yīng)用于實際問題數(shù)字信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域通信無線通信、數(shù)字電視、衛(wèi)星通信等。音頻音頻壓縮、音頻降噪、語音識別等。圖像圖像壓縮、圖像增強(qiáng)、圖像識別等。醫(yī)療醫(yī)學(xué)影像、心電圖分析、腦電圖分析等?？刂乒I(yè)控制、機(jī)器人控制、自動駕駛等。信號與系統(tǒng)回顧信號信號是信息的載體，可以是電壓、電流、聲波等。系統(tǒng)系統(tǒng)是對信號進(jìn)行處理的裝置，可以是電路、算法、軟件等。系統(tǒng)分類線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時不變系統(tǒng)、時變系統(tǒng)等。連續(xù)時間信號與離散時間信號連續(xù)時間信號在連續(xù)時間軸上定義的信號，例如聲音信號。離散時間信號在離散時間點(diǎn)上取值的信號，例如數(shù)字化后的音頻信號。線性時不變系統(tǒng)線性性是指系統(tǒng)對輸入信號的疊加和比例運(yùn)算保持不變。時不變性是指系統(tǒng)的特性不隨時間的推移而改變。傅里葉變換基礎(chǔ)1頻率域分析將信號分解為不同頻率的正弦波疊加。2傅里葉變換將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號。3頻譜頻域信號的表示方式。離散傅里葉變換(DFT)時域信號離散時間信號。DFT將離散時間信號轉(zhuǎn)換為頻域信號。頻域信號離散頻率的復(fù)數(shù)序列。DFT的定義與性質(zhì)定義DFT將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號。1線性DFT是對線性運(yùn)算保持不變。2時移時域信號的時移對應(yīng)頻域信號的相位變化。3頻移頻域信號的頻移對應(yīng)時域信號的相位變化。4快速傅里葉變換(FFT)1DFT計算復(fù)雜度高。2FFT利用信號的周期性，降低計算復(fù)雜度。3效率提升FFT的計算速度比DFT快得多。FFT算法原理1分解將DFT分解成多個更小的DFT。2遞歸使用遞歸算法，不斷分解DFT。3復(fù)數(shù)運(yùn)算FFT算法需要大量的復(fù)數(shù)運(yùn)算。FFT算法實現(xiàn)Radix-2FFT適用于長度為2的冪的信號。Cooley-Tukey算法最常用的FFT算法之一。Z變換1時域信號離散時間信號。2Z變換將離散時間信號轉(zhuǎn)換為復(fù)頻域信號。3復(fù)頻域信號z變量的函數(shù)。Z變換的定義與收斂域定義Z變換將離散時間信號轉(zhuǎn)換為z變量的函數(shù)。收斂域Z變換存在的z值的區(qū)域。Z變換的性質(zhì)線性Z變換是對線性運(yùn)算保持不變。時移時域信號的時移對應(yīng)z域信號的乘以z的冪。卷積時域信號的卷積對應(yīng)z域信號的乘積。逆Z變換離散時間系統(tǒng)的Z域分析1系統(tǒng)函數(shù)系統(tǒng)的輸出信號與輸入信號的Z變換之比。2極點(diǎn)與零點(diǎn)系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)和零點(diǎn)決定系統(tǒng)的頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性。3頻率響應(yīng)系統(tǒng)對不同頻率信號的響應(yīng)。系統(tǒng)函數(shù)與穩(wěn)定性系統(tǒng)函數(shù)系統(tǒng)輸出信號與輸入信號的Z變換之比。穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)輸入信號有界時，輸出信號是否也有界。極點(diǎn)系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)位于z平面的單位圓內(nèi)。頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)系統(tǒng)對不同頻率信號的響應(yīng)。幅頻特性系統(tǒng)對不同頻率信號的幅度響應(yīng)。相頻特性系統(tǒng)對不同頻率信號的相位響應(yīng)。數(shù)字濾波器設(shè)計濾波器類型低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等。1濾波器特性通帶、阻帶、截止頻率等。2設(shè)計方法IIR濾波器設(shè)計、FIR濾波器設(shè)計。3濾波器類型與特性低通濾波器：允許低頻信號通過，阻擋高頻信號。高通濾波器：允許高頻信號通過，阻擋低頻信號。帶通濾波器：允許特定頻段的信號通過，阻擋其他頻段的信號。帶阻濾波器：阻擋特定頻段的信號，允許其他頻段的信號通過。IIR濾波器設(shè)計1模擬濾波器設(shè)計首先設(shè)計一個模擬濾波器。2數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)換將模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器。3濾波器實現(xiàn)使用數(shù)字濾波器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。Butterworth濾波器平坦通帶Butterworth濾波器的通帶具有平坦的頻率響應(yīng)。最大平坦性Butterworth濾波器在通帶和阻帶之間的過渡帶具有最大平坦性。頻率響應(yīng)Butterworth濾波器的頻率響應(yīng)呈單調(diào)下降趨勢。Cheshev濾波器快速過渡Cheshev濾波器比Butterworth濾波器具有更快的過渡帶。紋波Cheshev濾波器的通帶或阻帶中存在紋波。類型CheshevI型濾波器和CheshevII型濾波器。FIR濾波器設(shè)計線性相位FIR濾波器具有線性相位特性。設(shè)計方法窗函數(shù)法、頻率采樣法等。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)直接型、級聯(lián)型、并行型等。窗函數(shù)法理想濾波器設(shè)計一個理想的濾波器。1窗函數(shù)使用窗函數(shù)對理想濾波器進(jìn)行截斷。2FIR濾波器得到一個具有有限長度的FIR濾波器。3頻率采樣法1頻率響應(yīng)在頻率域中指定所需的頻率響應(yīng)。2采樣對頻率響應(yīng)進(jìn)行采樣。3逆DFT使用逆DFT將頻率響應(yīng)轉(zhuǎn)換為時域濾波器系數(shù)。數(shù)字濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)1直接I型和II型結(jié)構(gòu)最簡單的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。2級聯(lián)型結(jié)構(gòu)將多個二階濾波器級聯(lián)起來。3并行型結(jié)構(gòu)將多個二階濾波器并聯(lián)起來。直接I型和II型結(jié)構(gòu)直接I型結(jié)構(gòu)直接計算濾波器的輸出信號。直接II型結(jié)構(gòu)使用中間變量來簡化計算。級聯(lián)型和并行型結(jié)構(gòu)級聯(lián)型結(jié)構(gòu)將多個二階濾波器級聯(lián)起來。并行型結(jié)構(gòu)將多個二階濾波器并聯(lián)起來。數(shù)字信號處理中的有限字長效應(yīng)1量化誤差由于數(shù)字信號處理系統(tǒng)中使用的有限字長，會導(dǎo)致量化誤差。2系數(shù)量化濾波器系數(shù)的量化會影響濾波器的性能。3信號量化輸入信號的量化會影響濾波器的輸出信號。量化誤差量化將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為離散信號的過程。量化誤差量化過程引入的誤差。量化噪聲量化誤差產(chǎn)生的噪聲。系數(shù)量化濾波器系數(shù)濾波器系數(shù)是決定濾波器性能的關(guān)鍵參數(shù)。量化誤差系數(shù)量化會導(dǎo)致濾波器系數(shù)的誤差。影響系數(shù)量化會影響濾波器的頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性。信號量化輸入信號的量化會影響濾波器的輸出信號。量化誤差會導(dǎo)致輸出信號中出現(xiàn)噪聲。溢出振蕩溢出當(dāng)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的計算結(jié)果超出其表示范圍時，就會發(fā)生溢出。振蕩溢出會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出信號發(fā)生振蕩。解決方案使用飽和算術(shù)、縮放等方法來避免溢出。多抽樣率信號處理1抽取降低采樣率，減少數(shù)據(jù)量。2內(nèi)插提高采樣率，增加數(shù)據(jù)量。3應(yīng)用頻譜搬移、數(shù)字音頻處理、圖像處理等。抽取與內(nèi)插抽取從信號中選取部分樣本，降低采樣率。內(nèi)插在信號樣本之間添加新的樣本，提高采樣率。濾波抽取和內(nèi)插通常需要使用數(shù)字濾波器來避免混疊。多抽樣率系統(tǒng)的應(yīng)用頻譜搬移將信號的頻率范圍移到不同的頻段。數(shù)字音頻處理實現(xiàn)數(shù)字音頻的壓縮、降噪等功能。圖像處理實現(xiàn)圖像的縮放、插值等功能。時頻分析時域分析分析信號隨時間的變化。1頻域分析分析信號的頻率成分。2時頻分析同時分析信號的時間和頻率信息。3短時傅里葉變換(STFT)1窗口函數(shù)將信號分成多個短時段。2傅里葉變換對每個短時段進(jìn)行傅里葉變換。3時頻譜得到信號的時頻譜。小波變換1小波函數(shù)具有有限持續(xù)時間、非平穩(wěn)性的函數(shù)。2時頻分辨率小波變換具有可變的時頻分辨率。3應(yīng)用信號去噪、邊緣檢測、圖像壓縮等。參數(shù)模型1AR模型自回歸模型。2MA模型移動平均模型。3ARMA模型自回歸移動平均模型。AR模型自回歸模型當(dāng)前信號值由過去信號值的線性組合表示。模型參數(shù)模型參數(shù)是自回歸系數(shù)。應(yīng)用語音信號建模、預(yù)測等。MA模型移動平均模型當(dāng)前信號值由過去噪聲值的線性組合表示。模型參數(shù)模型參數(shù)是移動平均系數(shù)。應(yīng)用時間序列分析、預(yù)測等。ARMA模型自回歸模型。移動平均模型。自適應(yīng)濾波濾波器系數(shù)濾波器系數(shù)可以根據(jù)輸入信號和期望信號的變化進(jìn)行調(diào)整。1LMS算法最常用的自適應(yīng)濾波算法之一。2應(yīng)用噪聲消除、回聲消除、系統(tǒng)辨識等。3LMS算法1最小均方誤差LMS算法的目標(biāo)是最小化濾波器的均方誤差。2梯度下降LMS算法使用梯度下降法來調(diào)整濾波器系數(shù)。3自適應(yīng)LMS算法可以自適應(yīng)地調(diào)整濾波器系數(shù)以適應(yīng)輸入信號的變化。RLS算法1遞歸最小二乘RLS算法是一種遞歸最小二乘算法。2快速收斂RLS算法比LMS算法收斂速度更快。3計算量大RLS算法的計算量比LMS算法大。數(shù)字信號處理器的體系結(jié)構(gòu)1定點(diǎn)DSP使用定點(diǎn)算術(shù)進(jìn)行信號處理。2浮點(diǎn)DSP使用浮點(diǎn)算術(shù)進(jìn)行信號處理。定點(diǎn)與浮點(diǎn)DSP定點(diǎn)DSP速度快、成本低，但精度有限。浮點(diǎn)DSP精度高，但速度慢、成本高。TMS320系列TexasInstruments由德州儀器公司生產(chǎn)。廣泛應(yīng)用廣泛應(yīng)用于通信、音頻、圖像等領(lǐng)域。特點(diǎn)高性能、低功耗、易于使用。SHARC系列高性能。低功耗。靈活可擴(kuò)展。數(shù)字信號處理的應(yīng)用實例音頻信號處理音頻壓縮、音頻降噪、語音識別等。圖像信號處理圖像壓縮、圖像增強(qiáng)、圖像識別等。通信信號處理無線通信、數(shù)字電視、衛(wèi)星通信等。生物醫(yī)學(xué)信號處理醫(yī)學(xué)影像、心電圖分析、腦電圖分析等。音頻信號處理1音頻壓縮減少音頻數(shù)據(jù)的大小。2音頻降噪去除音頻中的噪聲。3語音識別識別語音信號。圖像信號處理圖像壓縮減少圖像數(shù)據(jù)的大小。圖像增強(qiáng)提高圖像的質(zhì)量。圖像識別識別圖像中的物體。通信信號處理無線通信實現(xiàn)無線信號的傳輸和接收。數(shù)字電視實現(xiàn)數(shù)字電視信號的傳輸和接收。衛(wèi)星通信實現(xiàn)衛(wèi)星