电子信息专业英语之数字信号处理篇ppt课件

.,IntroductiontoDigitalSignalProcessing,.,6.1RepresentationofDigitalSignals数字信号的表示,Messagessentbytelegrapharedigitalsignals.Theyarewrittenusing26alphabetical（字母的）characters,10numerals（数字）,andsymbols（符号）suchascommas（逗号）andperiods（句号）.Thesesymbolscertainlycanberepresentedbydifferentvoltagelevels,forexample,Aby10V(volts),Bby9.5V,Cby9V,andsoforth.电报发送的消息是数字信号。这些消息由26个英文字母，10个数字，逗号句号等符号组成。它们可以用不同的电压来表示，例如用10伏表示字母A，9.5伏表示字母B，9伏表示字母C，等等。,.,Thistypeofrepresentation,however,isnotusedbecauseitissusceptibleto（易受影响的）noise,shiftingofpowersupply,andanyotherdisturbances.然而并未采用这种表示法，因为它易受到噪声、电源起伏及其它干扰的影响。,.,Inpractice,thesesymbolsarecodedassequencesofdashes（划线）anddots（点）or,equivalently,onesandzeros.Thesymbol0canberepresentedbyavoltagefrom0to0.8V.Thesymbol1canberepresentedbyavoltagefrom2.0to5.0V.在实际应用中，这些符号被编成一串点、划，或者1和0。符号0可以用0到0.8伏之间的电压表示；符号1可以用2.0伏到5.0伏之间的电压表示。,.,Theprecisevoltageofeachsymbolisnotimportant,butitiscriticalthatitsvaluelieswithinoneofthetwoallowableranges.Ifthevalueliesoutsidethetwoallowableranges,thetelegraphmustmakeachoiceofeither1or0,andanerrormayoccur.每个符号所表示的准确电压值并不重要，关键是它要落在上述任意一个允许范围之内，否则就必须在0，1之间作出选择而可能发生错误。,.,Inthiscase,anerrormessagecanbesent,andthemessageberetransmitted(转发).Onthecompactdisc（光盘）,1and0arerepresentedbydimples（凹痕）.Theleadingandtrailingedgesofadimplerepresenta1（凹痕的前端和后端表示1）;nochangerepresentsa0（无变化则为0）.在此情况下，可以发送错误信息，要求重传信号。在光盘上用凹痕来表示0和1，凹痕的前端和后端表示1，无变化则为0，,.,Eachbitoccupiesapproximatelyadistanceof1micrometer(10-6meter).Thistypeofrepresentationof1and0ismuchlesssusceptibletonoise.Furthermore,itiseasytoimplement.Therefore,digitalsignalsarealwayscodedbyonesandzerosinphysicalimplementation.Thisiscalledbinarycoding.每位数据大约占据1微米的长度。这种表达方式受噪音的影响很小，而且，易于实现。因此，实现时数字信号总是用0，1编码，称做二进制编码。,.,Therearemanytypesofbinarycoding.Inthissection,wediscussthesimplestone,calledsign-and-magnitudecoding（符号及值编码）.Considerthefollowingsequencesof:,二进制编码的方式有很多种，本节讨论最简单的一种，叫做符号及值编码。考虑如下序列,：,.,Eachcanassume（取值）onlyeither1or0andiscalledabinarydigitorbit（二进制位或比特）.Therearesixbitsinthesequence.Theleft-most（最左边起）bitiscalledthesignbit（符号位）.Thesequencerepresentsapositivenumberif=0andanegativenumberif=1.每一个称做一个二进制位或比特，取值只能是1或者0。该序列中有6个位，最左边的是符号位，0代表正数，1代表负数。,.,Theremainingfivebitsrepresentthemagnitudeofthenumber（剩下的5个比特代表该数的大小）.Forexample,wehave,剩下的5个比特代表该数的大小。例如，,.,Theleft-mostbit,excludingthesignbit,isthemostsignificantbit(MSB)andtheright-mostbitistheleastsignificantbit(LSB).Ifweuse10bitstorepresentthedecimal（小数的）partofanumber,thentheLSBrepresents=1/1024=0.0009765,whichyields(产生)thequantizationstep（这即是量化阶）.除符号位外最左边的位是最高有效位，而最右边的位是最低有效位。如果用10个比特表示一个数的小数部分，最低位表示为1/1024=0.0009765,这即是量化阶。exclude(v.):把.排除在外,.,SignalsencounteredinpracticearemostlyCT（continuoustime）signals.Toprocessananalogsignaldigitally,itmustfirstbediscretizedintimetoyieldadiscrete-timesignalandthenquantizedinamplitudetoyieldadigitalsignal.Therefore,inactualdigitalsignalprocessing,wedealexclusively(排外地,专有地)withdigitalsignals.在实际中常见的信号是连续时间信号，为了以数字的方式处理模拟信号，首先要将模拟信号进行时间离散化，产生一个离散时间信号，然后量化其幅度产生数字信号。因此，在实际信号处理中，我们只处理数字信号。,.,Ananalyticalstudyofdigitalsignals,however,isdifficult,becausequantizationisnotalinearprocess.Tosimplifythediscussion,weusedecimalnumberstoillustratethispoint.Supposeeverynumberistoberoundedto（四舍五入）thenearestinteger(thatis,thequantizationstepis1);thenwehave：然而对于数字信号的分析研究却很困难，因为量化并非线性的过程。为了讨论简便，我们用十进制数来说明这一点。假设每个数值都量化为最近的整数（也就是量化阶为1），则有：,.,whereQstandsforquantization.Becauseofthesenonlinearphenomena,analyticalstudyofdigitalsignalsiscomplicated.Thereare,however,nosuchproblemsinstudyingdiscrete-timesignals.Forthisreason,inanalysisanddesign,alldigitalsignalswillbeconsideredasdiscrete-timesignals.Inactualprocessingorimplementation,alldiscrete-timesignalsmustbeconvertedintodigitalsignals.这里Q表示量化。由于非线性的存在，数字信号的分析研究变得很复杂。然而，离散时间信号的研究就没有这种问题。因此，在分析与设计中，所有的数字信号都被看作是离散时间信号。在实际处理和实现中，所有的离散时间信号都要转换为数字信号。,.,Inquantization,iftheamplitude（大小）ofadiscrete-timesignaldoesnotfallexactlyonaquantizationlevel,thenthevaluemustbeapproximatedbyaquantizationleveleitherbytruncationorrounding,ineithercase,errorswilloccur.Sucherrorsarecalledquantizationerrors.量化时，如果离散时间信号的大小与量化电平不一致，那么它就必须以截断或舍入的方式用相应的量化电平来近似。两种情况下都会产生误差。这种误差叫量化误差。,.,Ingeneral,quantizationerrorsarestudiedseparatelyindigitalsignalprocessing.Suchastudyisimportantinspecialized（专门的）hardwarethatusesasmallnumberofbitssuchas4or8bits.OndigitalcomputersandDSPprocessorsthathave16or32bits,quantizationerrorsareverysmallandcanoftenbesimplyignored.通常，在数字信号处理中常对量化误差进行专题研究。但是，在采用很少的位数，比如4位或者8位的硬件中，量化误差的研究是非常重要的。在数字计算机和16位或者32位数字信号处理器中，量化误差很小，可以忽略不计。,.,Forconvenience,weusedigitalsignalsanddiscrete-timesignalsinterchangeably（可交替地）withtheunderstandingthat（考虑到）allDTsignalsmustbetransformedintodigitalsignalsinimplementationandalldigitalsignalsareconsideredasDTsignalsinanalysisanddesign.考虑到实现时离散时间信号一定要转换为数字信号，而且在分析和设计中所有的数字信号被认为是离散时间信号，为了方便，我们不加区别地使用数字信号和离散时间信号。,.,6.2ComparisonofDigitalandAnalogTechniques数字技术与模拟技术的比较,Digitaltechniqueshavebecomeincreasinglypopularandhavereplaced,inmanyapplications,analogtechniques.Wediscusssomeofthereasonsinthefollowing.数字技术越来越流行，而且在很多应用中取代了模拟技术。下面讨论一下其中的原因。,.,Digitaltechniquesarelesssusceptibletonoiseanddisturbance.Inthetransmissionandprocessingofanalogsignals,anynoiseordisturbancewillaffectthesignals.Digitalsignalsarecodedin1sand0s,whicharerepresentedbyrangesofvoltages;therefore,smallnoise,disturbance（干扰）,orperturbation（波动）inpowersupplymaynotaffecttherepresentation.Thusdigitaltechniquesarelesssusceptibletonoiseanddisturbance.Thisreliabilitycanfurtherbeimprovedbyusingerror-detectinganderror-correctingcodes.数字技术受噪音和干扰的影响小。在模拟信号的传输和处理中任何噪音和干扰将会影响信号。数字信号由1和0编码，1和0代表不同范围的电压；因此小噪音、干扰和电压的波动不会影响信号的表示。因此数字技术受噪音和干扰的影响小。通过检错码和纠错码可以更进一步提高其可靠性。,.,Onthecompactdisc,byusingtheso-calledcross-interleavedReed-Solomoncode,itispossibletocorrect2400bitlongerrors(correspondingto2-mmscratches).However,thenumberofbitsmustbeincreasedconsiderably.Forexample,aportion（一部分）oftheaudio（音频的）signalrepresentedoriginallyby192bitsnowrequires588bitsonthedisc.在光盘上，通过采用所谓交叉纠错的Reed-Solomon码可以纠正2400位长的错误（相当于2毫米的划痕）。然而其位数的增加也是相当可观的。例如，原来需要192位表示的音频信号现在在光盘上需要588位表示。interleaved：交叉存取,.,AnotherexampleisthetransmissionofthepicturesoftheMars,takenbyaspacecraft,tothegroundstationontheearth.Aftertravelingoverkilometers,thereceivedsignalhasapowerlevelintheorderofwatts.Ifthesignalistransmittedbyanalogtechniques,thereceivedsignalwillbeseverelycorruptedbynoiseanditisnotpossibletoreconstructthepictures.However,thepicturesoftheMarshavebeentransmittedsuccessfullytoEarthbyusingdigitaltechniques.另一个例子就是由太空船采集的火星图片的传输到地面工作站。经过2亿千米的传输，收到的信号的功率为瓦特量级。如果采用模拟信号传输，收到的信号会被噪声严重损坏而不可能重建图片。然而，火星图片已经成功采用数字信号传输到地球。,.,Theprecisionindigitaltechniquesismuchhigherthanthatinanalogtechniques.Inanalogdisplay,theaccuracyofthereadingisoftenlimited.Generally,wecanachieveonlyanaccuracyof1%ofthefullscale.Indigitaldisplay,theaccuracycanbeincreasedsimplybyincreasingthenumberofbitsused.Inanalogsystems,itisdifficultorveryexpensivetohaveanumberofcomponentswithidenticalvalue.数字技术的精度远高于模拟技术。采用模拟显示，读取的精度是有限的，大体上是满刻度的1%。而在数字显示中，仅仅提高采用的位数就可以提高其精度。在模拟系统中，很难做到使器件具有相同的数值。,.,Forexample,ifwebuyten1-resistors,probablytheresistancesofthetenresistorswillbealldifferentandnoneexactlyequals1-.Evensimpleanalogvoltmetersrequireconstantresettingintheiruse.Digitalsystemshavenosuchproblem;theycanalwaysbeexactlyreproduced.例如，如果我们买10个1电阻，很可能它们的阻值全都不同，而且没有一个是精确的1。甚至是简单的电压表在使用中也需要经常重新设置。而数字系统没有这个问题，它们可以被精确的复制。,.,Thestorageofdigitalsignalsiseasierthanthatofanalogsignals.Digitalsignalscanbeeasilystoredinshiftregisters,memorychips,floppydisks,orcompactdiscsforaslongasneededwithoutlossofaccuracy.Thesedatacanberetrievedforuseinafewmicroseconds.Thiseasystorageandrapidaccessisanimportantfeatureofdigitaltechniques.Theonlyconvenientwaytostoreanalogsignalsistotapeorfilmthem.Theirretrievalisnotasconvenientandfastasindigitaltechniques.数字信号的存储比模拟信号容易。在必要时数字信号可以无失真地存储在移位寄存器，内存，软盘和光盘中。检索这些数据只需要几微秒的时间。容易存储和易于读取是数字技术重要特征。存储模拟信号唯一方便的方式就是把它们存在磁带或者胶片上。它们的检索不象数字技术那么方便和快捷。,.,Digitaltechniquesaremoreflexibleandversatilethananalogtechniques.Indigitaldisplay,digitalsignalscaneasilybefrozen,expanded,ormanipulated.Adigitalsystemcanbeeasilyalteredbyresettingitsparameters.Tochangeananalogsystem,wemustphysicallyreplaceitscomponents.Usingtimemultiplexing（时分复用技术）,adigitalsystemcanbeusedtoprocessanumberofdigitalsignals:forexample,ifthesamplingperiodofadigitalsignalis0.05sandiftheprocessingofthesignalrequiresonly0.005s,thenthedigitalsystemwillbefreeinthenext0.045sandcanbeusedtoprocessothersignals.数字技术比模拟技术更加灵活通用。采用数字显示，易于对数字信号进行定格、放大和处理。可以很容易地通过修改参数来改变一个数字系统。为了改变一个模拟系统，我们必须改变它的物理组建。利用时分复用技术，一个数字系统可以处理很多数字信号：例如，如果数字信号的采样周期是0.05秒，处理信号需要的时间是0.005秒，那么数字系统在剩下的0.045秒的时间里就是空闲的，在这段时间里就可以处理其它信号。,.,Anotherexampleofthistypeofarrangementisthedigitaltransmissionofhumanvoices.Onatelephoneline,thevoiceissampled8000timespersecond;eachsampleiscodedbyusingeightbits.Thusthetransmissionofonechannelofvoicesrequiresthetransmissionof64,000or64Kbitspersecond.Theexistingtelephonelinecantransmit1544Kbitspersecond.Therefore,asingletelephonelinecanbeusedtotransmit24voice-handchannels.Ifweusefiberoptics,thenthenumberofchannelsisevenlarger.这类安排的其它例子就是话音的数字传输。在电话线上，话音每秒钟采样8000次，每个采样用8个二进制位编码。因此一路声音信号的传输需要64kbps的带宽。现存的电话线路可以每秒传送1544kbps的数据。因此一个电话线可以传输24路话音信号。如果采用光纤，传输的路数就会更多。,.,Personalcomputersarenowwidelyavailable,soiscomputersoftware.Thisfactspeedsconsiderablythespreadingofdigitaltechniques.Fromtheprecedingdiscussion,itisnotsurprisingtoseetheavalancheofdigitaltechniques.Inmanyapplicationsdigitaltechniqueshavealmostcompletelyreplacedanalogtechniquessuchasinanalogoscilloscopesandanalogcomputers.现在个人电脑得到广泛应用，电脑软件也是如此。这很大程度上加速了数字技术的推广。从前面的讨论中，不难看出数字技术越来越普及。在很多应用中，数字技术几乎完全取代了模拟技术，比如模拟示波器和模拟计算机。,.,TherootsofDSPareinthe1960sand1970swhendigitalcomputersfirstbecameavailable6.Computerswereexpensiveduringthisera,andDSPwaslimitedtoonlyafewcriticalapplications.Pioneeringeffortsweremadeinfourkeyareas:radarandmedicalimaging,wherelivescouldbesaved.DSP产生于二十世纪六七十年代，当