数字信号处理DigitalSignalProcessing(DSP).ppt

数字信号处理 Digital Signal Processing(DSP),教师：肖明明 QQ:2354515 Email:ming_,教科书,数字信号处理教程(第二版） 数字信号处理习题解答 程佩青 清华大学出版社,参考书,1.数字信号处理 张元、汪元宝、方穗明编 北京工业大学出版社 2.数字信号处理 王世一 北京理工大学出版社 3.数字信号处理 数字信号处理习题解答 丁玉美 西安电子科技大学出版社,参考书,4.离散时间信号处理 美A.V奥本海姆 R.W.谢弗编 科学出版社 2.Signal Processing 信号处理导论 Sophocles J.Orfanids(奥法尼索斯S.J) 清华大学出版社 3.基于Matlab的系统分析与设计-信号处理 楼顺天 李博菡 编著 西安电子科大出版社,讲授内容,1.绪论-DSP的发展和应用 2.连续信号的抽样（书上第一章及第二章部分） 3.离散付里叶变换DFT(书上第三章） 4.快速付里叶变换FFT（书上第四章） 5.数字滤波器(DF)的结构和实现方法（书第五章） 6.IIR DF的设计(无限长单位脉冲响应数字滤波器的设计)（书第六章） 7.FIR DF 的设计(有限长单位冲激响应滤波器的设计)（书第七章） 8.数字信号处理中有限字长效应A/D 、 DF(主要介绍)、 FFT 、D/A（书第八章）,第一章 绪论,数字信号处理（DSP） （Digital signal processing),数字信号处理: 是20世纪60年代，随着信息学科和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。 数字信号处理是把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数字的数值计算方法处理（例如：滤波、变换、增强、估计、识别等），达到提取有用信息便于应用的目的。,第一节 什么是数字信号处理,一、数字信号处理(DSP) (Digital Signal Processing),凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所进行的一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算。 例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等。 对于DSP:狭义理解可为Digital Signal Processor 数字信号处理器。广义理解可为Digital Signal Processing 译为数字信号处理技术。在此我们讨论的DSP的概念是指广义的理解。,二、信号、系统和信号处理 1.信号(复习),信号是一种物理体现。在信号处理领域中，信号被定义为一个随机变化的物理量。 例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这些真实世界的物理信号-电信号，经处理的电信号-传感器-真实世界的物理信号。 如现实生活中最常见的传感器是话筒、扬声器 话筒(将声压变化)-电压信号空气压力信号(扬声器),（1）信号的最基本的参数,频率和幅度 3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航)甚低频 30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)低频 3003000kHz:Medium frequency(调幅广播)中频 3-30MHz:High frequency(HF)(无线电爱好者，国际广播，军事通信 无绳电话，电报，传真)高频 30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM，甚高频电视) 0.33GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信)超高频 频率低20Hz范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，能被感觉到。(处于VLF Very low frequency)甚低频 频率20Hz20KHz称为声波，Low frequency (处于LF)低频 频率20KHz称为超声波 ，具有方向性，可以成束(处于LF),（2）信号分类,同一种信号，如电信号，可从不同角度进行分类： （a）一维信号、二维信号、矢量信号 （b）周期信号和非周期信号 （c）确定性信号和随机信号 （d）能量信号和功率信号 （e）连续信号、离散信号 （f）模拟信号和数字信号,(a)一维信号、二维信号、矢量信号,信号的变量可以是时间，频率、空间或其他的物理量。 若信号是一个变量(如时间)的函数，称一维信号； 若信号是两个变量(空间坐标x,y)的函数，称为二维信号； 推广：若信号是多个（例如M个，M2）变量的函数，则称为多维（M维）信号。 若信号表示成M维的矢量 x=x1(n),x2(n),xM(n) (式中为转置，n为时间变量），则称为x是一个M维的矢量信号。,(b)周期信号和非周期信号,若信号满足： x(t)=x(t+kT), k为正整数； 或 x(n)=x(n+kN) k,N皆为正整数，n+kN为任意整数， 则x(t)和x(n)都是周期信号，周期分别为T和N； 否则就是非周期信号。,(c)确定性信号和随机信号,确定性信号：若信号在任意时刻的取值能精确确定，则称它为确定信号；它的一个值可以用有限个参量来唯一地加以描述。 例：直流信号：仅用一个参量可以描述。阶跃信号：可用幅度和时间两个参量描述。正弦波信号：可用幅度、频率和相位三个参量来描述。 随机信号：若信号在任意时刻的取值不能精确确定，或说取值是随机的，即它不能用有限的参量加以描述。也无法对它的未来值确定性地预测。它只能通过统计学的方法来描述(概率密度函数来描述)。 例：许多自然现象所发生的信号、语音信号、图象信号、噪声都是随机信号。它们具有幅度(能量)随机性、或具有发生时间上的随机性或二都兼有之。,（d）能量信号和功率信号,若信号能量E有限，则称为能量信号； 若信号功率P有限，则称为功率信号； 信号能量E可表示为,信号功率P可表示为,周期信号及随机信号一定是功率信号； 非周期的绝对可积（和）信号一定是能量信号。,(e)连续时间信号和离散时间信号,信号的变量一般有时间与幅值，其取值方式有连续与离散两种。 时间取值方式可分为连续时间与离散时间两种。 信号幅值的取值方式可分为连续与离散两种方式（幅值的离散称之为量化）。 连续时间信号：其时间是连续的，幅值可以是连续的也可以是离散（量化）的。 离散时间信号：时间是离散，幅值是连续的。,(f)模拟信号和数字信号,模拟信号：指时间连续、幅度连续的信号。 数字信号：时间和幅度上都是离散（量化）的信号。故数字信号可用一序列的数表示，而每个数又可表示为二制码的形式。,x(t),t,x(tn),tn,x(n),n,采样,模数,保持,转换,2、系统 (复习),系统：处理信号的物理设备。或者说，凡是能将信号加以变换以达到人们要求的各种设备称之系统。 系统分类：大小之分，一个大系统可细分为若干个小系统。 实际上，因为系统是完成某种运算（操作）的，因而我们还可把软件编程也看成一种系统的实现方法。,（1）系统分类,按所处理的信号种类的不同可将系统分为四类： （a）连续时间系统 （b）离散时间系统 （c）模拟系统 （d）数字系统,（a）连续时间系统,连续时间系统：处理连续时间信号。 系统输入、输出均为连续时间连续幅度的模拟信号。,（b）离散时间系统,离散时间系统：处理离散时间信号（序列）。 系统输入、输出均为连续时间信号。,（c）模拟系统,模拟系统：处理模拟信号。 系统输入、输出均为连续时间连续幅度的模拟信号。,（d）数字系统,数字系统：处理数字信号。 系统输入、输出均为数字信号。 以上系统可以是线性的或非线性的，时不变或时变的。,3、信号处理,信号处理是研究系统对含有信息的信号进行处理（变换），以获得人们所希望的信号，从而达到提取信息、便于利用的一门学科。,系统,处理,y(t),x(t),(1)信号处理的内容,滤波 变换 检测 谱分析 估计 压缩 识别 等一系列的加工处理。,（2）数字信号处理引入,多数科学和工程中遇到的是模拟信号。 以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。 模拟信号处理缺点：难以做到高精度，受环境影响较大，可靠性差，且不灵活等。 随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展，加之从60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。 随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。,三、数字信号处理系统的基本组成,以下所讨论的是模拟信号的数字信号处理系统.,前置预 滤波器,A/D 变换器,数字信号 处理器,D/A 变换器,模拟 滤波器,模拟,xa(t),PrF,ADC,DSP,DAC,PoF,模拟,ya(t),x(n),y(n),(1)前置滤波器,将输入信号xa(t)中高于某一频率(称折叠频率，等于抽样频率的一半)的分量加以滤除。,t,xa(t),0,(2)A/D变换器,由模拟信号产生数字信号（一个二进制流）。其有两个过程：抽样和保持。 抽样：每隔T秒(抽样周期)取出一次xa(t)的幅度，此信号称为离散信号。它只表示时间点 0 ，T , 2T, nT,上的值xa(0),xa(T),xa(2T),xa(nT)。 保持：在保持电路中将抽样信号变换成数字信号，因为一般采用有限位二进制码，所以它所表示的信号幅度就是有一定限制的。 经过A/D变换器后，不但时间离散化了，幅度也量化了，这种信号称为数字信号。用x(n)表示。,例子,如4位码，只能表示24=16种不同的信号幅度，这些幅度称为量化电平。 当离散时间信号幅度与量化电平不相同时，就要以最接近的一个量化电平来近似它。 所以经过A/D变换器后，不但时间离散化了，而且幅度也量化了，产生一个二进制流。,t,0,xa(t),0,x(n)的二进制数,0011,0110,0011,0110,0111,0010,1100,1001,1001,0010,抽样,量化,n,x(n),n,(3)数字信号处理器(DSP),按照预定要求，在处理器中将信号序列x(n)进行加工处理得到输出信号y(n).,n,y(n),(4)D/A变换器,经过D/A变换器，将数字信号序列反过来变换成模拟信号，这些信号在时间点0,T,2TnT,上的幅度应等于序列y(n)中相应数码所代表的数值大小。 即由一个二进制流产生一个阶梯波形，是形成模拟信号的第一步。,(5)后置滤波器,把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。 以滤除掉不需要的高频分量，生成所需的模拟信号ya(t).,t,ya(t),实际数字信号处理系统,实际系统并不一定要包括它的所有框图。 如有些系统只需数字输出，可直接以数字形式显示或打印，就不需要D/A变换器； 另一些系统的输入就是数字量，因而就不需要A/D变换器； 纯数字系统则只需要数字信号处理器这一核心即可。,二、数字信号处理的学科概貌 1.数字信号处理开端,在国际上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里叶变换(FFT)的问世，作为数字信号处理这一学科的开端。 而它的历史可以追溯到17世纪-18世纪，也即牛顿和高斯的时代。,2.数字信号处理领域的理论基础,数字信号处理的基本工具：微积分，概率统计，随机过程，高等代数，数值分析，近代代数，复杂函数。 数字信号处理的理论基础：离散线性变换(LSI)系统理论，离散付里叶变换(DFT)。,3.“数字信号处理”又成为一些学科的理论基础,在学科发展上，数字信号处理又和最优控制，通信理论，故障诊断等紧紧相连，成为人工智能，模式识别，神经网络，数字通信等新兴学科的理论基础。,4.数字信号处理学科内容,数字信号处理学科包含有 （1）离散时间线性时不变系统分析 （2）离散时间信号时域及频域分析、离散付里叶变换（DFT）理论。 （3）信号的采集，包括A/D,D/A技术，抽样，多率抽样，量化噪声理论等。 （4）数字滤波技术 （5）谱分析与快速付里叶变换（FFT），快速卷积与相关算法。 （6）自适应信号处理,（7）估计理论，包括功率谱估计及相关函数估计等。 （8）信号的压缩，包括语音信号与图象信号的压缩 （9）信号的建模，包括AR，MA，ARMA，CAPON，PRONY等各种模型。 （10）其他特殊算法（同态处理、抽取与内插、信号重建等） （11）数字信号处理的实现。 （12) 数字信号处理的应用。,以上（1）（2）（3）三点是理论和技术分析的基础，是最基本的，（4）（5）（6）为本课程教学内容。 其中滤波技术又可分为经典滤波和现代滤波。经典滤波为本科阶段学。主要为FIR 和IIR数字滤波器。 自适应信号处理作为简介。,第二节 数字信号处理的实现,数字信号处理实现方法,1.采用大、中小型计算机和微机。 2.用单片机。 3.利用通用DSP芯片 4.利用特殊用途的DSP芯片,1.采用大、中小型计算机和微机,工作站和微机上各厂家的数字信号软件，如有各种图象压缩和解压软件。 用这一方法优点：可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。,2.用单片机,由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能很强。 优点：可根据不同环境配不同单片机，其能达实时控制，但数据运算量不能太大。,3.利用通用DSP芯片,DSP芯片较之单片机有着更为突出优点。 如内部带有乘法器，累加器，采用流水线工作方式及并行结构，多总线速度快。配有适于信号处理的指令(如FFT指令)等。 目前市场上的DSP芯片有： 美国德州仪器公司(TI):TMS320CX系列 占有90% 还有AT&T公司dsp16,dsp32系列 Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列 AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列,4.利用特殊用途的DSP芯片,市场上推出专门用于FFT,FIR滤波器，卷积、相关等专用数字芯片。 如：BB公司：DF17XX系列 MAXIM公司：MAXIM27X ,MAXIM28X National公司：National-SEMI系列：MF系列。 其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使用者只需给出输入数据，可在输出端直接得到数据。,第三节 数据信号处理的特点,与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有如下特点： 1、精度高 2、可靠性高 3、灵活性大 4、易于大规模集成 5、时分复用 6、可获得高性能指标 7、二维与多维处理,1.精度高,在模拟系统中，它的精度是由元件决定，模拟元器件的精度很难达到10-3以上。而数字系统中，17位字长就可达10-5精度，所以在高精度系统中，有时只能采用数字系统。,2.可靠性强,数字系统：只有两个信号电平0，1受噪声及环境条件等影响小。 模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受环境条件，如温度、振动、电磁感应等影响，产生杂散效应甚至振荡等 且数字系统采用大规模集成电路，其故障率远远小于采用众多分立元件构成的模拟系统。,3.灵活性大,数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且系数存放于系数存储器内，只需改变存储的系数，就可得到不同的系统，比改变模拟系统方便得多。,4.易于大规模集成,数字部件：高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，对电路参数要求不严，故产品成品率高。 例：(尤其)在低频信号：如地震波分析，需要过滤几Hz几十Hz的信号，用模拟系统处理其电感器、电容器的数值，体积，重量非常大，且性能亦不能达到要求，而数字信号处理系统在这个频率处却非常优越(显示出体积，重量和性能的优点）。,5.时分复用,利用DSP同时处理几个通道的信号。 某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙时间，因而在同步器的控制下，在此时间空隙中送入其他路的信号，而各路信号则利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信号后，再算另一路信号，因而处理器运算速度越高，能处理的信道数目也就越多。,多路器,DSP,分 路 器,同步,1 2 3 n,1 2 3 n,6.可获得高性能指标,例：对信号进行频谱分析 模拟频谱仪在频率低端只能分析到10Hz以上频率，且难于做到高分辨率(也即足够窄的带宽)。 但在数字的谱分析中，已能做到10-3Hz的谱分析。 又例：有限长冲激响应数字滤波器，则可实现准确的线性相位特性，这在模拟系统中是很难达到的。,7.二维与多维处理,利用庞大的存储单元，可以存储一帧或数帧图象信号，实现二维甚至多维信号包括二维或多维滤波，二维及多维谱分析等。,8.局限性,数字系统的速度还不算高，因而不能处理很高频率的信号。(因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理) 另外，数字系统的设计和结构复杂，价格较高，对一些要求不高的应用来说，还不宜使用。,第四节 数字信号处理的应用领域,自20世纪60年代以来，数字信号处理的应用已成为一种明显的趋势，这与它突出优点分不开的。 数字信号处理大致可分为： 信号分析 信号滤波,一、信号分析,任务：涉及信号特性的测量。它通常是一个频域的运算。 主要应用于： 谱(频率和/或相位)分析 语音分析 说话人识别 目标检测,谱估计,谱估计就是对各种信号进行频谱分析,或将时间域信号转换为频率域信号进行处理。 通过快速付氏变换(FFT)方便地实现这种变换或反变换。 例如通过对环境噪声的谱分析,可以确定主要频率成分,了解噪声的成因,找出降低噪声的对策;对振动信号的谱分析,可了解振动物体的特性,为设计或故障诊断提供资料和数据。对于高保真音乐和电视这样的宽带信号转到频率域后极大多数能量集中在直流和低频部分,就可把频谱中的大部分成分滤去,从而压缩信号频带。,二、信号滤波,数字滤波就是在形形色色的信号中提取所需要的信号,抑制不需要的信号或干扰信号。 滤波器还能消除信息在传输过程中由于信道不理想所引起的失真,因此在电子系统中各种各样的滤波器应用很多。 应用于：滤除不需要的背景噪声，去除干扰、频带分割， 信号谱的成形 所以它广泛地应用于数字通信，雷达，遥感，声纳，语音合成，图象处理，测量与控制，高清晰度电视，多媒体物理学，生物医学，机器人等。,三、DSP的典型应用(1),1、经典信号处理：数字滤波、自适应滤波、快速付里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。 2、现代信号处理：AR、ARMA、卡尔曼滤波、小波变换等。 3、语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。 4、图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。 5、军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。,三、DSP的典型应用(2),6、仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。 7、自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。 8、医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。 9、家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。,四、举例 1.语音处理,它是最早采用数字信号处理技术的领域之一。 本世纪50年代提出语音形成数字模型，经过十多年对语音的分析、综合、证明是正确的。 在语音领域现存在着三种系统：语音分析系统：(自动语音识别系统，它能识别语音，辨认说话的人是谁，而且破译后，能立即作出决断。语音综合系统：盲人的自动阅读机，声音响应的计算机终端，会说话玩具，家用电器(CD,VCD,DVD)。语音分析综合系统：语音存储和检索系统。 即广泛应用于电话窃听。即应用于语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人确认、语音邮件、语音存储等。,语音压缩,在手机中用可将语音压缩至13bsp,在Inmarsat 卫星电话中用将语音压缩至4.3bps后,仍具有良好的清晰度。在语音信箱、留言电话方面也都采用语音压缩技术和。,2.图像处理,数字信号处理技术成功应用的图像处理方法有： 数据压缩:采用压缩编码的目的是在保证一定图像（或声音）质量的条件下，以最小的数据率来表达和传送图像（或声音）信息。 图像复原 清晰化与增强 由于单个数字图像以1兆个采样值的量级表示，所以要求高性能的处理机、高密度的数据存储器。即要求高速度硬件。,数字压缩,数据压缩在一定条件下把原始信号所含信息数据进行压缩,如语音、声音、图像信号中含有许多冗余信息,通过数字信号压缩算法最大限度地去除这些信号中的冗余度,使压缩后信号带宽减小,提高传输效率。作数据存储时可降低所需存储介质的容量。例如直径为120的光盘,本来存储的只是一套70分钟的 立体声音乐,现在可将70分钟电视信号和音乐信号都压缩到120的光盘上,即光盘。,会议电视和可视电话,采用完成视频图像信号的压缩,制成可通过公用电话交换网()传输的会议电视或可视电话。,3.雷达,在军事上，雷达、计算机、射击武器等组成一个自动控制系统。 当目标进入雷达的作用半径以内并被雷达自动跟踪时，雷达就测量出目标的当前位置(距离、方位角和高低角)，并把数据送入计算机，推算出目标的航向，航速，引导导弹或自动火炮去击中目标(爱国者导弹对飞毛腿导弹)。雷达系统是应用高性能数字信号处理技术的一个例子。 雷达系统主要信号处理功能包括： 信号产生、匹配滤波、门限比较、目标参数(如射程、方位和速度)估计。,4.通信,整个通信领域几乎没有不受数字信号处理技术影响的地方。(占60%） DSP主要应用于通信的热门产品中。如：蜂窝电话（Cellular phone)、ADSL调制解调器、线缆调制解调器(Cable modem)、蓝牙技术(bluetooth)产品，数字电话应答机（digital telephone answering device)、全球定位系统（global positioning system,GPS），卫星电话(satellite phone)、电话会议(conference speaker phone)、电视电话会议编译码器(video conferencing code )、IP电话(voice over IP)、IP传真(fax over IP)、ATM电话(voice over ATM)、智能天线(smart antenna)、PCS用户端(subscriber set)。,回声抵消装置,利用通信卫星打越洋长途电话时,因静止卫星离地球表面36000,通信延时为0.24,就会在话机中听到自己的讲话,影响正常通话,现在采用了做的回声抵消器,可把回声抑制掉。,调制解调器,调制解调器()。为在电话线上传输计算机数据,采用可做成符合规定的各种调制解调器,尤其是符合.32、.33、.34建议的高速,都可用软件加以实现,5.电话、电报,下面介绍它们在通讯中的应用 大家知道，脉冲编码调制通信（简称PCM）的主要优点是抗干扰性强。但是，要对语音信号进行脉冲编码传输，起码要有64kb/s。为了提高信道的利用率，必须压缩语音数码率。语音压缩编码的方法很多，如自适应差分脉调制（ADPCM），32kb/s的数码率达到了长途电话的质量标准，且复杂程度较低，1988年被CCITT（国际电报电话咨询委员会）建议为长途传输中的一种新型国际通用语音编码方法。,6.扩频通信,与数据压缩相反的数据扩张，也是很有用的技术。它的根据是香农编码定理：在一定的条件下，只要码的长度充分大时，一定存在一种编码、译码方法，使错误译码率充分小。近年来，在国防上实现发射功率隐蔽与抗电子干扰，采用了数据扩张技术，用300千比特/秒的数码率传送64千比特/秒的语音，可以使敌方对此信号难以侦察或干扰。,7.移动通信,现代通信系统是信息时代的生命线。最近几年，电信业在我国发展很快，安装电话的用户与日俱增，移动通信已开始全国联网。现在，世界性的全球通讯网连接着6亿个以上的电话，还提供大量的用户电报以及数据通信业务。到上世纪末，通讯已超过能源、汽车、钢铁、交通和农业，成为世界上最大的行业。,8.其他,生物医学信号处理CT / CAT CT：计算机X射线断层摄影装置。其中发明CT英国EMI公司的豪斯菲尔德获诺贝尔奖。 CAT:计算机X射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建。 嵌入式电子系统,消费类电子产品的应用1,在消费类电子产品（consumer electronics)采用技术已越来越多。 例如: (1)唱机。在所有唱机和光盘驱动器中都采用做信号解调和误码校正,保证 声音或优质图像的回放.数字多用光盘（DVD digital versatile disk )、数字电视/高清晰电视(digital TV/HDTV)、数字助听器(digital hearing aid),数字相机芯片(digital camera chip)、MPEG(Moving Picture Experts Group)编解码芯片(encoder chip)、MPEG译码器芯片(decoder chip)、MP3播放机芯片(player chip)、机顶盒(set top box)。,消费类电子产品的应用2,