数字信号处理程

1、数字信号处理 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 1 教材与参考书 教材：教材： 数字信号处理教程数字信号处理教程（第二版）（第二版） 程佩青，清华大学程佩青，清华大学 参考书：参考书： 数字信号处理数字信号处理 郑南宁，郑南宁，西安交大西安交大 Discrete Time Signal Processing Alan V.Oppenheim 依确定性：确定性信号、随机信号； 依能量或功率是否有限： 能量、功率信号； 依连续性：连续信号(模拟)、离散信号(数字)； 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 6 波形：波形：信号幅度随独立变量变化

2、的函数，通常 一维信号的独立变量为时间。 信号分类（续） 传感器得到的信号都要先变成电信号传感器得到的信号都要先变成电信号( (连续时间信号连续时间信号) )。 连续时间信号：连续时间信号：用电压或电流去模拟其他物理量所得到用电压或电流去模拟其他物理量所得到 的信号，独立时间变量连续有定义的信号，独立时间变量连续有定义x(t) x(t) 。 模拟信号：模拟信号：信号幅值连续有定义的连续时间信号。信号幅值连续有定义的连续时间信号。 离散时间信号：离散时间信号：由连续时间信号经离散化得到，亦可客由连续时间信号经离散化得到，亦可客 观存在，独立时间变量在离散时间点有定义观存在，独立时间变量在离散时间

3、点有定义x(nT)x(nT)。 数字信号：数字信号：在时间上和幅度上都是离散的信号，它可由在时间上和幅度上都是离散的信号，它可由 模拟信号经离散和量化得到，亦可客观存在。本质上，模拟信号经离散和量化得到，亦可客观存在。本质上， 它只是一系列的它只是一系列的“数数”，且通常用二进制编码表示。，且通常用二进制编码表示。 关系：关系：连续时间信号连续时间信号采样采样 离散时间信号离散时间信号量化量化 数字信号数字信号 模拟经模拟经A/DA/D变换得数字；数字经变换得数字；数字经D/AD/A变换得模拟。变换得模拟。 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 7 连续时间信号转换为

4、数字信号举例 1. 连续时间信号：连续时间信号：CTS(Continuous Time Signal/Analog Signal )x(t) 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 8 （在离散时间点上取值）（在离散时间点上取值） 2. 离散时间信号：离散时间信号：DTS (Discrete Time Signal/Sequence) xn 离散时间信号例子（1） 股票指数： 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 9 人口统计： 离散时间信号例子（2） 温度测量 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 10 离散时间信号

5、例子（3） 连续信号的离散化： 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 11 离散时间信号例子（4） 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 12 医学测量信号 EEG-Electroencephalogram, ECGelectrocardiography.(脑、 心电图) 音乐信号音乐信号 ： 图图 象象 ： 2、系统概念 系统：系统：处理信号的物理设备。软件编程处理信号的物理设备。软件编程 （运算或操作）也可看成为系统。（运算或操作）也可看成为系统。 系统依所处理的信号种类可分为四类：模模 拟系统、连续时间系统、离散时间系统、拟系统、连续时

6、间系统、离散时间系统、 数字系统数字系统。 系统依性质可分为：线性的或非线性的、 时（移）不变的或时（移）变的、因果的 或非因果的系统等。 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 13 3、信号处理概念 信号处理信号处理是指利用适当的系统对信号进行处理 （变换）。 数字信号处理的内容包括： 信号表示信号表示：时域和频域表示； 信号变换信号变换：DTFT、DFT、ZT，以及FFT； 信号处理信号处理：滤波、压缩、调制及解调和 信号分析; 信号运算信号运算：延迟、加、减、乘和卷积。 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 14 二、数字信号处理系统基

7、本组成 1.模拟信号的数字化处理系统构成模拟信号的数字化处理系统构成： 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 15 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 xa(t) x(n) y(n) ya(t) y(t) x(t) 2.各单元的作用各单元的作用： 前置预滤波器前置预滤波器：滤除高于某一频率的信号，防混迭。 A/D变换器变换器：完成抽样和量化，实现数字化。 数字信号处理器数字信号处理器：输入序列经处理得到输出序列。 D/A变换器变换器：数字信号变换成模拟信号。 模拟滤波器模拟滤波器：滤除不需要的高频分量。 3. 数字信号处理

8、(DSP)的实现方法： 软件软件：指的是按照原理和算法，自己编写程序或者采指的是按照原理和算法，自己编写程序或者采 用现成的程序在通用计算机上实现。软件法灵活，但用现成的程序在通用计算机上实现。软件法灵活，但 速度慢，达不到实时处理要求。速度慢，达不到实时处理要求。 专用硬件专用硬件：指的是按照具体的要求和算法，设计硬件指的是按照具体的要求和算法，设计硬件 结构图，用乘法器、加法器、延时器、控制器、存储结构图，用乘法器、加法器、延时器、控制器、存储 器以及输入输出接口部件实现的一种方法。硬件法速器以及输入输出接口部件实现的一种方法。硬件法速 度快，但是不够灵活。度快，但是不够灵活。 通用通用D

9、SP芯片芯片：采用专用的数字信号处理芯片（采用专用的数字信号处理芯片（DSPDSP） 是目前发展最快、应用最广的一种方法。它内部配有是目前发展最快、应用最广的一种方法。它内部配有 乘法器和累加器，结构上采用流水线工作方式以及并乘法器和累加器，结构上采用流水线工作方式以及并 行结构、多总线，且配有适合数字信号处理的指令，行结构、多总线，且配有适合数字信号处理的指令， 这种产品已经进入市场，速度高、体积小、性能优良，这种产品已经进入市场，速度高、体积小、性能优良， 价格也在不断下降。价格也在不断下降。 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 16 数字信号处理过程的波形示意

10、图 A/D变换：(抽样与量化） 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 17 -3 0 1 2 3 4 3 5 4 7 4 n T2T )(txa )(nx t -1 数字信号处理过程的波形示意图（续） 数字信号处理器：(DSP) 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 18 y(n) 0 1 2 3 4 n 数字信号处理过程的波形示意图（续） D/A变换器： （平滑）模拟滤波器： 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 19 0 y(t) ) (ty a 三、数字信号处理的特点 优点优点： 1. 精度高 模拟系统：由元器

11、件确定（10-3）； 数字系统：由字长确定，由8位到16、32、64位， 数字信号可存储、传送。 2. 灵活性高 数字系统的性能主要由乘法器的系数决定。 3. 可靠性高 只有“0”和“1”两个电平，受温度噪声影响小。 4. 容易集成 规范性高，电路参数要求不高，体积小、重量轻。 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 20 数字信号处理的优点（续） 5. 时分复用 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 21 数字信号处理器 同步 多路开关 多路开关 输出 输入 . . 数字信号处理的优点（续） 6. 可获得高性能指标 如频谱分析：模拟方法10H

12、z; 数字方法10-3Hz. 7. 便于二维与多维处理 用存储一祯或数祯图象信号，实现二、多 维处理。 缺点缺点： 1. 增加复杂性（e.g.:A/D和D/A）； 2. 速度不够高，工作频率也不够高(几十MHz以下)。 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 22 四、数字信号处理的学科概貌 1. 信号的采集： 实现信号的数字化，包括取样、量化。 2. 信号的分析： 信号描述与运算，各种变换，时、频域分析，DFT。 3. 系统分析： 线性系统与非线性系统，时变系统与时不变系统， 线性时（移）不变系统，因果系统与非因果系统， 线性时（移）不变因果系统。 4. 快速算法：

13、FFT, WFT，快速卷积、相关算法。 5. 数字滤波技术： (1) IIR数字滤波器的分析与设计； (2) FIR数字滤波器的分析与设计。 6. 功率谱估计与相关函数估计。 7. 信号压缩（语音、图像）。 8. 信号建模（AR、MA、ARMA）。 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 23 五、数字信号处理的应用与发展 1.应用：应用： （1）滤波与变换：数字滤波/卷积、相关； （2）通信：各种调制/解调、自适应均衡、纠错、扩频、加/解密、 回波对消、IP电话、软件无线电； （3）语音、语言：邮件、压缩、录音、识别、合成； （4）图形图像：压缩增强、复原重建、分割、

14、识别、动画、视觉； （5）消费电子; （6）仪器仪表： （7）工控自动化； （8）医疗； （9）军事；雷达、声纳、导航、GPS、卫星、航空航天。 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 24 DSP应用举例 （1） 滤波选频滤波 e.g.:多正弦信号： 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 25 DSP应用：回波对消(I) （2） 回波对消（来自远方的输入信号既耦合至耳机， 又耦合至话筒传回去，产生回声） 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 26 DSP应用：回波对消(II) 对消方法：（将输入一方面送入混合线圈，另

15、一方面又将输入一方面送入混合线圈，另一方面又 送入自适应滤波器与泄露至话筒的回声进行对消送入自适应滤波器与泄露至话筒的回声进行对消） 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 27 应用：语音处理 （3） 语音处理 v均衡均衡; v编码与压缩编码与压缩 v多声道模拟、混响效果多声道模拟、混响效果 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 28 应用：信号预测 （4） 信号预测 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 29 的值。预测从1 ,1,0nxnxxx 应用：信号传送 （5） 语音传输 2021-6-25 大连海事大学信

16、息学院电子信息科学与 技术系 30 应用：图象处理（I） （6） 图像处理：边缘检测 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 31 应用：图象处理（II） 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 32 边沿检测原理：边沿检测原理： 边沿信号xn: 边沿检测滤波器hn: 数字信号处理的应用与发展（续） 2.发展方向： （1）数字汇聚（融合）：信号处理、通信、计算机； （2）远程会议； （3）融合网络：公众通信网、计算机网、家庭网； （4）数字图书馆； （5）图文信息检索； （6）多媒体通信； （7）个人信息终端：PDA、个人通信系统。 2021-6

17、-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 33 六、本课程的主要内容 第一章 离散时间信号与系统(复习） 第二章 Z变换（复习） 第三章 离散傅立叶变换（DFT） 第四章 快速傅立叶变换（FFT） 第五章 数字滤波器的基本结构 第六章 IIR数字滤波器的设计方法 第七章 FIR数字滤波器的设计方法 第八章 数字信号处理器简介 第九章 上机实验 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 34 课程内容纲要 离散时间信号处理 离散时间信号 离散时间系统 产生 表示 表示 Stru 结构 采样 时域 频域 时域 频域 FIR IIR Nyq.定理 DFS DFT FFT h(n) H(k) 滤波器设计 量化效应 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 35 信号分析基本方法 2021-6-25 大连海事大学信息学院电子信息科学与 技术系 36 系统实现问题 （1）DSP的实现：的实现：A/D，D/A，DSP器件等；器件等； （2）数字系统的设计与实现；）数字系统的设计与实现