清华大学数字信号处理课件绪论.ppt

欢迎您选修校研究生公共课 生物医学工程系胡广书E mail hgs dea Tel 62784568 o 办公室 医学科学楼C209 数字信号处理 进入教室后请您关闭手机 本课程主讲和负责老师 张辉副教授 博士 hzhang 62773000 1 两位助教研究生 邹建 zoujian212 电话 62773000 2苏畅 suchang511 电话 62773000 请和助教多接触 请使用清华大学网络学堂 一 关于本课的教学二 关于 数字信号处理 概论 1 讲课为主 2 答疑随时都可以 电话联系 62773000 o 3 作业 计算与证明 上机题 小的Project 读书报告 一 关于本课的教学 关于本课的考试 期末课堂开卷考试 60 平时作业 15 期末大作业 25 教材 1 SJ Orfanids IntroductiontoSignalProcessing 1996 清华大学出版社 1999 2 SKMitra DigitalSignalProcessing AComputer BasedApproach 2001 清华大学出版社 2001 3 ProakisJ G IntroductiontoDigitalSignalProcessing 1988 参考书 有关期刊 IEEETrans onSignalProcessing IEEETrans onCircuitsandSystems IEEETrans onBiomedicalEngineering Proc ofIEEE SignalProcessing 信号处理 欢迎每一位同学对本课的教学 包括各个环节 随时提出意见和建议 一 信号 二 数字信号 三 数字信号处理1数字信号处理的任务2数字信号处理的优势3数字信号处理的理论4数字信号处理的实现5数字信号处理的应用6关于数字信号处理的学习 二 关于数字信号处理 我们已迅速进入了数字化的信息时代 数字通讯数字控制数字化仪表数字家电数字化医疗仪器数字测量数字 图书馆 手机MP3 MP4数码相机录音笔U盘掌上电脑 什么是DSP DigitalSignalProcessing DSP 一门新的学科DigitalSignalProcessor DSP 数字信号处理器 DSPs 一门正在蓬勃发展的高新技术学科 信号 数字信号 数字信号处理 信号是信息 Information 的载体 即信息包含在信号中 信号 特别是一维信号 多是时间的函数 即 一 什么是DSP 一 信号 连续时间信号 又称模拟信号 AnalogSignal 常见信号 电压 电流 磁通 温度 压力 压强 光 机械振动 价格 经济指数 股市指数 流量 水位 潮位 人体生理信号等等 作用 将非电信号转化为电信号 转化后的信号是连续时域模拟 Analog 信号 可以用表示 模拟信号产生 处理和传输所使用的器件是 R L C OP 运算放大器 模拟信号处理系统的缺点 体积大 精度低 不灵活 可重复性差 传感器 sensor 常见人体生理信号 生物医学信号 ECG 心电 EEG 脑电 EOG 眼电 EMG 肌电 PCG 心音 要求 准确检测R波 99 准确检测P Q S T等波 90 准确测量P Q间期 QRS宽度 S T段形态 不同心脏病人的心电图 脑电信号 胎儿心电信号 脑电 EEG 的节律 即主要频率成分 节律 4Hz的成分 节律 4Hz 8Hz的成分 节律 8Hz 13Hz的成分 节律 13Hz的成分 深睡 浅睡 清醒 受刺激或思考 火车鸣笛信号 二维信号 视频信号 二 数字信号 流程图 例 A D8bit5V 000000000V 0000000120mV 0000001040mV 29mV 31mV A D芯片已高度集成化 将这些芯片配以一些必要的外围电路可做成不同的A D板 又称数据采集板 将A D板插入普通计算机 如PC 的扩展槽中 配以相应的软件即可实现信号的抽样 A D芯片有两个主要的参数 一是字长 二是转换速度 现在市售的A D芯片的字长有8bit 10bit 12bit及14bit 字长越长 量化误差越小 自然 转换的精度就越高 转换速度决定了其A D芯片的最大抽样速度 目前市售的A D芯片的抽样速度可由几十千赫至几百兆赫 当然 字长越长 速度越高 其售价也越贵 使用者应视实际需要选用 为什么要用数字信号 计算机认识 大脑指挥计算机 智能化 A D打开了由模拟世界进入数字世界的大门 以PC或专用DSP装置为硬件平台 以数值分析为基本工具 发展众多的信号处理算法 实现信号自身的提取或是信号有用特征 幅度 周期 持续时间 过零点个数 上升时间 下降时间 自相关函数 功率谱 的提取 以达到认识信号 利用信号的目的 三 数字信号处理 任务 从信号中提取出所需要的信息 并将其用于实际 1 数字信号处理的任务 用于危重病房 intensivecareunit ICU 的心电自动监护仪的作用是监护病人的心电状态 同时也包括其他生理参数 如血压 呼吸等 它应能实时地显示和存储病人的心电波形 并根据心电图的异常来自动决定是否给出报警 一个实际的心电监护仪由心电放大器 A D转换器 CPU 显示单元 存储单元 系统管理软件和心电信号处理软件所组成 心电处理软件的功能 1 在CPU的控制下实现心电信号的采集 显示和存储 2 去除噪声 在信号采集时 身体的任一微小运动都会产生 基线漂移 这是一种低频干扰 同时 由于肌电的存在又产生了高频的肌电噪声 由于空间电磁场的存在又使心电信号中混有50Hz的工频干扰 这些噪声不去除 就会影响下一步的信号处理 带有高频噪声及病态失真的心电信号 3 波形检测 参数提取 R波检测 要求 99 P波检测 T波检测 幅度特别低 90 P Q间期测量 S T段形态检测 QRS宽度检测 4 病类判别 根据检测出的参数 心脏疾病的原理和医生的临床经验 建立起各种心律异常的数学模型并对心电信号做出判别 决定是否异常 如异常 又属于哪一类异常 这一工作即是信号处理的应用 以上内容虽然属于生物医学工程学科的范畴 但从中可以看出数字信号处理的内容和任务 其他学科的信号处理过程和该问题类似 即大体上也包含了去噪 特征检测 或提取 和应用于实际这三个方面 2 数字信号处理的优势 1 精度高 2 可重复性强 3 体积小 4 成本低 5 可编程 所以灵活性强 6 实时性 Real time 强 数学 微积分 线性代数 概率 随机过程 数论 近世代数 现代通信原理 现代控制理论模式识别 最优化 神经网络系统辨识 振动测试生物医学工程 信号与系统 计算机 数字信号处理的理论 基础 发展 1 信号抽样与采集理论 2 信号分析理论 Z变换 离散傅里叶变换 DFT Hilbert变换离散余弦变换 DCT 离散小波变换 DWT 快速算法理论 FFT 3 离散系统分析 4 离散系统设计 滤波器设计 5 随机信号统计分析理论 6 信号建模 AR MA ARMA 7 特征估计 自相关函数 功率谱计 8 实现 软件 MATLAB 硬件 DSP 9 应用 数字信号处理的理论大体上可以分为 一 经典信号处理二 统计信号处理三 现代信号处理 教学 科研 开发的前期 DSP软件包MATLABSignalProcessingToolBox 4数字信号处理的实现 软件实现 TI产品系列 DSP的特点 时钟快 硬件乘法器 实现连乘连加 哈佛结构 较多的寄存器 等等 数字信号处理中最常用的算法是线性卷积和DFT 其特点是大量的 连乘连加 运算 如 5 数字信号处理的应用 DSP的应用 耳背式 耳道式 耳内式 完全耳内式 心电Holter 6 关于数字信号处理的学习 作为一门课程 学好数字信号处理和学好其他课程有着共同的要求 下面是几点特