数字信号处理-dsp绪论(02)

测试信号分析与处理 合肥工业大学-张腾达,教科书,普通高等教育“十一五”国家级规划教材：数字信号处理原理、实现及应用 高西全、丁玉美、阔永红编著 电子工业出版社,参考书,1数字信号处理教程（第二版） 程佩青 清华大学出版社2数字信号处理-理论、算法与实现 胡广书 清华大学出版社3国外电子与通信教材系列 数字信号处理：基于计算机的方法 Sanjit K.Mitra著 电子工业出版社4信号处理技术 徐科军等 武汉理工大学出版社5测试信号分析与处理 邓善熙著 中国计量出版社,课程介绍,绪论时域离散信号与系统（ch1）时域离散信号和系统的频域分析（ch2）离散傅里叶变换DFT（ch3）快速傅里叶变换FFT（ch3）数字滤波器的基本概念及一些特殊滤波器（ch5）无限长单位脉冲响应（IIR）数字滤波器设计(ch6）有限长单位脉冲响应（FIR）数字滤波器设计(ch7) 模拟信号数字处理（ch4）时域离散系统的实现（ch8）多采样率数字信号处理（ch9）数字信号处理应用举例（ch10）,时域分析数学方法,频域分析数学方法,数字滤波器设计,系统应用、实现,语音应用,第0章 绪论,为何要上数字信号处理? 在过去的数十年中，数字信号处理(DSP)的领域，无论在理论上还是技术上都有非常重要的发展。 现在开发DSP的硬件和软件都比较廉价，使不同领域的新工艺和新应用都想利用DSP算法的强大功能、所以使DSP成为本科的教学内容。为什么要处理信号？ 信号处理是为提取、增强、存储和传输有用信息而设计的一种运算。,一、数字信号处理(DSP)(Digital Signal Processing),定义：利用计算机或专用数字处理设备、采用数值计算的方法对信号进行处理的一门学科，它包括数据采集，以及对信号进行变换、分析、综合、滤波、估值与识别等加工处理，以便于提取信息和应用。对于DSP的理解： 狭义：Digital Signal Processor 数字信号处理器。 广义：Digital Signal Processing 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、系统和信号分析与处理（一）信号1.信号和信息(复习),信号：是信息的载体，是信息的物理表现形式，是携带信息的函数。信息：是信号的具体内容，是反映客观事物本质特征的东西。,不同的信号形式：,心电图 图像声音脑电波,2.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)30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)3003000kHz:Medium frequency(调幅广播)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)30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM，VHF电视)0.33GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信)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)频率20Hz20KHz称为声波，Low frequency (处于LF)频率20KHz称为超声波 ，具有方向性，可以成束(处于LF),3.信号分类,一维信号和多维信号确定性信号和随机信号模拟信号、时域离散信号、幅度离散信号和数字信号静态信号和动态信号周期信号和非周期信号 能量信号和功率信号 因果信号和非因果信号,(1)一维信号和多维信号,一维信号：信号是一个变量的（例如时间）的函数。多维信号：信号是多个（例如M个，M2）变量的的函数，称为多维（M维）信号。,(2)确定性信号和随机信号,信号取值是否确定？确定性信号：它的每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。 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：不能用有限的参量加以描述。也无 法对它的未来值确定地进行预测。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。,(3)模拟信号、时域离散信号、幅度离散信号和数字信号,按信号的自变量和函数值的取值形式不同： 时间 幅值模拟信号 连续 连续时域离散信号 离散 连续幅度离散信号 连续 离散数字信号 离散 离散,模拟信号光声画,数字信号时间和空间的函数S(t,x,y,z) 010000111010011110111100010101111011101(122 255 012)(255 110 255)(102 056 065)(122 212 098),(4)静态信号和动态信号,信号取值是否随时间变化？ 静态信号：不随时间变化（相对概念，一定时间，一定精度下）；动态信号：随时间变化。(5)周期信号和非周期信号 信号是否满足 或 ？,(6)能量信号和功率信号,信号能量： 或 信号功率： 或 若信号能量有限，则称为能量信号；若信号功率有限，则称为功率信号。 (7)因果信号和非因果信号 判断：是否成立？成立则为因果信号，否则为非因果信号。,4. 信号的分解,分析LTI系统的基本思想方法：将任意信号分解成基本信号单元的线性组合，再充分利用LTI系统的线性和时不变特性，通过系统对基本信号单元所产生的响应线性组合成系统对整个输入信号的响应。基本信号单元：（1）利用这种基本信号单元能够构成相当广泛的一类信号。（2）LTI系统对基本信号单元的响应应该容易求得，并且响应具有十分简单的形式。,时域：单位抽样序列 和单位冲击信号 作为时域的基本信号单元，在时域中将信号分解成 （或 ）的线性组合，即时域分析法。频域：复指数信号 和 作为频域的基本信号单元，在频域中将信号分解成 （或 ）的线性组合，即频域分析法。复频域：复指数信号 和 作为复频域的基本信号单元，在复频域中将信号分解成 （或 ）的线性组合，即复频域分析法。,（二）系统,1.定义：能将信号加以变换以达到人们要求的各种设备，系统可以是硬件的，也可以是软件编程实现的。2.分类：（1）按所处理信号种类的不同可分为： 模拟系统；时域离散系统； 数字系统（2）还可分为：线性/非线性系统；时变/时不变系统；因果/非因果系统；稳定/非稳定系统。,（三）信号分析与处理,1.信号分析：研究信号的构成和其特征量。通过解析法或测试法找出不同信号的特征，从而了解其特性，掌握它随时间或频率变化的规律。2.信号处理：对信号进行必要的变换以获得所需的信息。其内容包括滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等系列的加工处理。信号处理的分类：模拟信号处理数字信号处理（实质：数值运算）,（三）信号分析与处理,3.为什么要对信号进行变换？转换观察信号的角度（域），以便把握信号的特征或本质。 光的颜色光学傅立叶变换频率差异（本质）使模型简化，使计算方便 微分方程拉氏变换代数方程任何系统的作用：本质上是完成对输入的一种变换，这种变换完全可以通过计算来完成，而无需实际的处理电路。,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.(1)前置滤波器 将输入信号 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。(2)A/D转换器 把模拟信号变换为数字信号（由模拟信号产生一个二进制流）,每隔T秒(采样周期)取出一次的幅度，采样后的信号称为时域离散信号，采样信号。在A/D变换器中将采样信号量化成数字信号。,(3)数字信号处理器(DSP) 用数字技术进行处理,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).,(4)D/A变换器还原成模拟信号,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 。,0.1 数字信号处理基本内容一、数字信号处理基本内容,1.模拟信号的预处理（又称预滤波或者前置滤波）：滤除输入模拟信号中的无用频率成分和噪声，避免采样后发生频谱混叠失真。2.模拟信号的时域采样与恢复：模数转换技术，采样定理，量化误差分析等。3.时域离散信号与系统的分析：信号的表示与运算，各种变换（傅立叶变换，Z变换和离散傅立叶变换），时域离散信号与系统的时域和频域的描述和分析。,4.数字信号处理中的快速算法：快速傅立叶变换，快速卷积等。5.模拟滤波器和数字滤波器的分析、设计与实现。6.多采样率信号处理技术：采样率转换系统的基本原理及其高效实现方法。二、频谱分析和滤波是最基本的信号处理。1.频谱分析就是计算信号的离散傅立叶变换（DFT）。2.滤波实质上就是计算两个信号的卷积。,三、数字信号处理的学科概貌 1.数字信号处理开端,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(LTI)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.数字信号处理基本学科分支数字信号滤波 分为经典滤波和现代滤波。经典滤波为本科 阶段学习。主要为FIR 和IIR滤波器数字信号频谱分析 FFT进行谱分析 统计频谱分析,0.2 数字信号处理的实现方法一、数字信号处理的实现方法,（1）软件实现：在通用计算机上编程序实现各种复杂的处理算法。 优点：具有很高的灵活性，开发周期短。只需修改系统参数，就可改变系统的性能。 缺点：处理速度慢，不能保证实时性。（2）专用硬件实现：采用加法器，乘法器和延时器构成的专用数字网络，或用专用集成电路实现某种专用的信号处理功能。 优点：处理速度快，能够达到实时处理的要求。 缺点：不灵活，开发周期长。,（3）软硬件结合实现：依靠通用单片机或数字信号处理专用单片机（DSP）的硬件资源，配置响应的信号处理软件，实现工程实际中的各种信号处理功能。 优点：集中了软件实现和专用硬件实现的优点，具有硬件的实时性和软件的灵活性。 1.用单片机。 2.利用通用DSP芯片 3.利用特殊用途的DSP芯片,1.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。,2.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,3.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， MAXIM28XNational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。,0.3 数字信号处理的主要优点,一、与模拟系统相比，数字系统主要优点有：灵活性好可靠性强处理精度高易于大规模集成、小型化时分复用可获得高性能指标二维与多维处理,1.灵活性好,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。,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，且不存在阻抗匹配问题。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，且存在阻抗匹配问题。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.处理精度高,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，它的精度是由系统字长（二进制）位数决定，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。,4.易于大规模集成、小型化,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采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。,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处理，包括二维或多维滤波，二维及多维谱分析等。,二、数字系统的局限性,数字系统的速度还不算高，因而不能处理很高频率的信号。(因为采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。,0.4 数字信号处理的典型应用1.语音处理,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。广泛应用于电话窃听，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。,2.图像处理,数据压缩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。,3.雷达,在军事上，雷达、计算机、射击武器等组成一个自