数字信号处理导论

1、What is DSP？狭义理解可为狭义理解可为 Digital Signal Processor 数数字信号处理器。字信号处理器。广义理解可为广义理解可为Digital Signal Processing，译为译为。 数字信号处理数字信号处理：把信号用数字或符号：把信号用数字或符号表示表示的序列，的序列，利用计算机或通用（专用）数字信号处理设备，用利用计算机或通用（专用）数字信号处理设备，用数数值计算值计算方法方法处理处理（例如：滤波、检测、参数提取、频（例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等），实现信号自身或有用特征的提取，达到谱分析等），实现信号自身或有用特征的提取，达到认识信号、利用信

2、号的认识信号、利用信号的目的目的。Why do we need DSP?n在过去的数十年中，数字信号处理的领域，在过去的数十年中，数字信号处理的领域，无论在无论在理论上还是技术上理论上还是技术上都有非常重要的发都有非常重要的发展。展。n由于工业上开发和利用廉价的硬件和软件，由于工业上开发和利用廉价的硬件和软件，使使不同领域的不同领域的新工艺和新应用新工艺和新应用现在都想利用现在都想利用DSPDSP算法算法, ,使它成为本科教学内容。使它成为本科教学内容。n一、课程的主要学习内容一、课程的主要学习内容（信号的频谱分析和数字滤波）（信号的频谱分析和数字滤波）What to learn?n二、课程的

3、特点二、课程的特点（数学工具要求高、应用性强）（数学工具要求高、应用性强）n三、课程的学习方法与要求三、课程的学习方法与要求 （课上、作业、实验）（课上、作业、实验） How to learn?n四、课程的性质和目的四、课程的性质和目的n五、课程的研究对象五、课程的研究对象n六、课程的安排与考核六、课程的安排与考核n七、主要教材和参考书七、主要教材和参考书课程教学大纲n一、信号、系统和信号处理一、信号、系统和信号处理n二、数字信号处理系统的基本组成二、数字信号处理系统的基本组成n三、数字信号处理的学科概貌三、数字信号处理的学科概貌n四、数字信号处理的特点四、数字信号处理的特点n五、数字信号处理

4、的应用五、数字信号处理的应用一、信号、系统和信号处理一、信号、系统和信号处理（1 1）信号及其基本特征）信号及其基本特征1、信号、信号v 信号很广泛：信号很广泛：如语音信号、图像信号如语音信号、图像信号v 解释：解释：一个随着时间变化的物理量。一个随着时间变化的物理量。物理信号物理信号电信号电信号信号处理信号处理电信号电信号物理信号物理信号话筒话筒扬声器扬声器v 信号最基本的参数：信号最基本的参数：频率、幅度频率、幅度（2 2）信号的分类）信号的分类v 单色信号和复合信号单色信号和复合信号单色信号：只有单一的频率。单色信号：只有单一的频率。复合信号：各种正弦频率分量的合成。复合信号：各种正弦频

5、率分量的合成。 我们通常考虑它的频带宽度。我们通常考虑它的频带宽度。我们通常处理的是我们通常处理的是复合信号复合信号。例：例：Hzft50100sin ， 例：一个高品质的音响信号带宽例：一个高品质的音响信号带宽20kHz 一个视频信号的带宽是一个视频信号的带宽是6MHzv 连续时间信号和离散时间信号连续时间信号和离散时间信号连续时间信号：随时间连续变化的信号，它们在一个时间连续时间信号：随时间连续变化的信号，它们在一个时间 区间里的任何瞬间都有确定的值。区间里的任何瞬间都有确定的值。离散时间信号：只在离散的时间点有确定的值，通常是对离散时间信号：只在离散的时间点有确定的值，通常是对 连续信号

6、进行采样得到的。连续信号进行采样得到的。v 模拟信号和数字信号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。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。数字信号：时间和幅度上都是离散（量化）的信号。 故：数字信号可用故：数字信号可用一序列的数一序列的数表示，而每表示，而每 个数又可表示为二制码的形式。个数又可表示为二制码的形式。量化量化离散离散数字数字信号信号连续连续离散离散离散离散时间时间信号信号连续连续连续连续连续连续时间时间信号信号幅度幅度时间时间 v 周期信号和非周期信号周期信号和非周期信号若信号满足：若信号满足： x(t)=x(t+k

7、T0) k为正整数；为正整数； 或或 x(n)=x(n+kN) k,N皆为正整数，皆为正整数， 则则x(t)或或x(n)是周期信号，周期分别为是周期信号，周期分别为T0和和N；否则就是非周期信号。否则就是非周期信号。v 确定信号和随机信号确定信号和随机信号确定性信号确定性信号：若信号在任意时刻的取值能精确确定，则称：若信号在任意时刻的取值能精确确定，则称 它为确定信号；它的值可以用它为确定信号；它的值可以用有限个参量有限个参量来来 唯一地加以描述。唯一地加以描述。例：直流信号、阶跃信号、正弦波信号例：直流信号、阶跃信号、正弦波信号随机信号随机信号：若信号在任意时刻的取值不能精确确定，或说：若信

8、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。能通过统计学的方法来描述。例：许多自然现象所发生的信号、语音信号、图像信号、噪例：许多自然现象所发生的信号、语音信号、图像信号、噪声都是随机信号。它们具有幅度声都是随机信号。它们具有幅度( (能量能量) )随机性、或具有发生随机性、或具有发生时间上的随机性或二都兼有之。时间上的随机性或二都兼有之。2、系统、系统v 系统分类系统分类系统系统：处理信号的物理设备。或者说，凡

9、是能将信号加以变：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可称之为系统。换以达到人们要求的各种设备可称之为系统。（a a）连续时间系统连续时间系统（b b）离散时间系统离散时间系统（c c）模拟系统模拟系统（d d）数字系统）数字系统3、数字信号处理、数字信号处理解释：解释：数字信号处理是利用数字信号处理是利用计算机或专用处理设备计算机或专用处理设备 ，以，以数值计算的方法数值计算的方法对信号进行对信号进行采集、滤波采集、滤波 、变换、压缩、增强、估计、识别、变换、压缩、增强、估计、识别等加工处等加工处 理，以达到提取有用信息和便于应用的目的。理，以达到提取有

10、用信息和便于应用的目的。二、数字信号处理系统的基本组成二、数字信号处理系统的基本组成y (n)x (n)ya(t)xa(t)前置前置预滤预滤波器波器采样采样A/D数字数字信号信号处理器处理器D/A模拟模拟滤波器滤波器数字信号处理器的选择与实现数字信号处理器的选择与实现v 软件实现软件实现v 专用专用DSPDSP芯片芯片v 通用通用DSPDSP芯片芯片数字信号处理器的实现方法数字信号处理器的实现方法 采用大、中小型计算机和微机采用大、中小型计算机和微机 在工作站和微机上使用厂家的数字信号处理软件或自在工作站和微机上使用厂家的数字信号处理软件或自己编写信号处理软件。己编写信号处理软件。优点：可适用

11、于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。优点：可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。 用单片机用单片机由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能较强。由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能较强。优点：可根据不同环境配不同单片机，可实现实时控制，优点：可根据不同环境配不同单片机，可实现实时控制， 但数据运算量不能太大。但数据运算量不能太大。 利用通用利用通用DSP芯片芯片 DSP DSP芯片较之单片机有着更为突出芯片较之单片机有着更为突出优点优点。 其内部带有乘法器，累加器，采用流水线工作方式及并其内部带有乘法器，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。行

12、结构，多总线速度快。配有适于信号处理的指令。 目前市场上的目前市场上的DSPDSP芯片有：芯片有：美国德州仪器公司美国德州仪器公司( (TI):TMS320CXTI):TMS320CX系列系列AT&TAT&T公司公司dsp16,dsp32dsp16,dsp32系列系列MotorolaMotorola公司的公司的dsp56x,dsp96xdsp56x,dsp96x系列系列ADAD公司的公司的ADSP21X,ADSP210XADSP21X,ADSP210X系列系列 利用专用利用专用DSP芯片芯片三、数字信号处理的学科概貌三、数字信号处理的学科概貌n1945 1945 年年Bode

13、Bode SchanonSchanon提出了提出了采样定理采样定理n19551955年国际上第一次开设了数字滤波器课程年国际上第一次开设了数字滤波器课程n19651965年年Corly-TukeyCorly-Tukey发明了发明了快速傅立叶变换快速傅立叶变换（FFTFFT），），19661966年年KaiserKaiser提出数字滤波理论提出数字滤波理论n在国际上，一般把在国际上，一般把19651965年年FFTFFT的问世，作为数字信号处的问世，作为数字信号处理这一新学科的开端理这一新学科的开端n3030多年的发展，数字信号处理自身已基本上形成一套多年的发展，数字信号处理自身已基本上形成一套

14、较为完整的理论体系较为完整的理论体系数字信号处理的理论数字信号处理的理论n信号的采集（信号的采集（A/DA/D）技术、取样定理、量化噪声分析技术、取样定理、量化噪声分析n离散信号的分析离散信号的分析（时域及频域分析、各种变换技术、（时域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等）信号特征的描述等）n离散系统分析离散系统分析（系统的描述、系统的单位取样响应、（系统的描述、系统的单位取样响应、系统函数及频率特性等）系统函数及频率特性等）n信号处理中的快速算法信号处理中的快速算法（快速傅立叶变换、快速卷积（快速傅立叶变换、快速卷积与相关等）与相关等）n信号的估值信号的估值（各种估值理论、相关函数与功

15、率谱估计（各种估值理论、相关函数与功率谱估计等）等）n滤波技术滤波技术（各种数字滤波器的设计与实现）（各种数字滤波器的设计与实现）n信号的建模信号的建模（ARAR、MAMA、ARMAARMA等模型）等模型）n信号处理中的特殊算法信号处理中的特殊算法（如抽取、插值、反卷积、信（如抽取、插值、反卷积、信号重建等）号重建等）n信号处理技术的实现信号处理技术的实现（软件实现、硬件实现）（软件实现、硬件实现） 精度高精度高 在模拟系统中，它的精度是由在模拟系统中，它的精度是由元件元件决定，模拟元决定，模拟元器件的精度很难达到器件的精度很难达到1010-3-3以上。而数字系统中，以上。而数字系统中，171

16、7位位字长就可达字长就可达1010-5-5精度精度，所以在高精度系统中，通常采，所以在高精度系统中，通常采用数字系统。用数字系统。Precisioncomponent specificationADC bits, CPU word width四、数字信号处理的特点四、数字信号处理的特点 灵活性高灵活性高ProgrammabilityAnalog system：Modify hardware design.Digital system：Modify software. 数字系统的性能主要决定于数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数乘法器的各系数，且，且系数存放于系数系数存放于系数存储器存储器内，

17、只需改变存储的系数，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。就可得到不同的系统，比改变模拟系统方便得多。 可靠性高可靠性高StabilityAnalog system：the characteristics of analog system components, resistors, capacitors and operational amplifiers will change along with temperature, humidity.Digital system：will show no variation with temperature thro

18、ughout their guaranteed operation range.Anti-noise数字系统：数字系统：只有两个信号电平只有两个信号电平0 0，1 1受噪声及环境条件受噪声及环境条件 的影响小。数字系统宜采用大规模集成电的影响小。数字系统宜采用大规模集成电 路，其故障率远远小于采用众多分立元件路，其故障率远远小于采用众多分立元件 构成的模拟系统。构成的模拟系统。模拟系统：模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受环境条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，产件，如温度、振动、电磁感应等影响，产 生杂散效应甚至振荡等。生杂散效应甚至振荡等。Very

19、 Large Scale Integrated circuit 时分复用时分复用利用利用DSP同时处理几个通道的信号。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路的信号，而各路信号则利用同一DSP，后者在同步器，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。理器运算速度越高，能处理的信道数目也就

20、越多。多路器多路器DSP分分路路器器同步同步123n123nWe still need analog processing（1）Real-Time ProcessingAnalog system：Besides the delay introduced by the circuit, the processing is in real-time. Digital system：Decided by the processor speed.（2）Processing very high frequency signalsAnalog system：may process microwave, mini-meter-wave, even light wave signals.Digital system：By the Nyquist Rule，the processing speed is limited by the S/H, A/D and processor speed. (3)The most signals in real would are analog. If we want to process these analog signals with digital signal processing system, must c