数字信号处理教学课件绪论

中国矿业大学信电学院数字信号处理

DigitalSignalProcessing(DSP)中国矿业大学信电学院数字信号处理

DigitalSigna1课程性质：专业基础课

40+8学时

前修课程：信号与线性系统

后续课程：DSP原理及应用课程性质：专业基础课

42绪论一、信号与系统二、数字信号处理(DSP)三、数字信号处理系统的基本组成四、数字信号处理的特点五、数字信号处理基本学科分支六、数字信号处理实现方法七、数字信号处理的应用领域讲授内容参考书绪论一、信号与系统3绪论一、信号与系统

信号是信息的一种物理体现，是信息的载体。信号可以是多种多样的。信号以某种函数的形式传递信息。这个函数可以是时间域、频率域或其它域。但最基础的域是时域。绪论一、信号与系统

信号是信息的一种物理体现41.模拟信号和模拟系统

信号x(t)：时间连续幅度连续

处理这类信号的系统

——模拟系统1.模拟信号和模拟系统

52.离散时间信号和系统信号x(nT)：时间离散

幅度连续

处理这类信号的系统

——离散时间系统

注：可用x(n)代表时间离散、幅度连续的任何序列。2.离散时间信号和系统6

即数字信号就是幅度量化了的离散时间信号。

处理这类信号的系统

——数字系统3.数字信号和数字系统信号：时间、幅度均离散即数字信号就是幅度量化了的离散时间信号。

7

“处理”-----

用系统对信号进行某种加工。

包括：

滤波、分析、变换、综合、压缩、估计、识别等等。“处理”-----

用系统对信号进行某种加工。8凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所进行的一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算。例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等。或者说：数字信号处理是用数值计算的方法，完成对信号的处理。

因此处理的实质是“运算”，运算的基本单元是延时器、乘法器和加法器。

二、数字信号处理(DSP)凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所进行的一切变换9图0-1就是一个简单的数字滤波器，由一个加法器、一个延时器和一个乘法器组成。因此处理的实质是“运算”，运算的基本单元是延时器、加法器和乘法器。简单的模拟滤波器比较图0-1就是一个简单的数字滤波器，由一个加法器、一个延时器和10三、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.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11将输入信号xa(t)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变换器在A/D变换器中每隔T秒(抽样周期)取出一次xa(t)的幅度，抽样后的信号称为离散信号。在A/D变换器中的保持电路中进一步变换为若干位码即数字信号——序列x(n)。(1)前置滤波器将输入信号xa(t)中高于某一频率(称折叠频率，等于抽样频率12数字信号处理教学课件绪论13(3)数字信号处理器(DSP)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变换器由一个二进制码流产生一个阶梯波形，是形成模拟信号的第一步。(3)数字信号处理器(DSP)按照预定要求，在处理器中将信号14数字信号处理教学课件绪论15(5)模拟滤波器把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。即滤除掉不需要的高频分量，生成所需的模拟信号ya(t).(5)模拟滤波器把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。16四、数字信号处理的特点与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有的特点：精度高可靠性强灵活性大易于大规模集成时分复用可获得高性能指标四、数字信号处理的特点与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有171.精度高模拟系统中，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。数字系统中，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。1.精度高模拟系统中，它的精度是由元件决定，模拟元器件的精度182.可靠性强模拟系统：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。2.可靠性强模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受环境条件193.灵活性大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。3.灵活性大数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且系204.易于大规模集成数字部件：高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，体积小、重量轻，对电路参数要求不严。例：(尤其)对低频信号：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。4.易于大规模集成数字部件：高度规范性，便于大规模集成，大规215.可获得高性能指标

即可以实现模拟系统很难达到的指标或特性。

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（FIR），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。5.可获得高性能指标即可以实现模拟系统很难达到的指标或特22五、数字信号处理基本学科分支DSP:

狭义理解可为DigitalSignalProcessor------数字信号处理器广义理解可为DigitalSignalProcessing

------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。DSP的经典内容：*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。主要为FIR和IIR滤波器*数字信号频谱分析FFT谱分析统计频谱分析五、数字信号处理基本学科分支DSP:狭义理解可为Di23六、数字信号处理实现方法1.采用大、中小型计算机和微机。2.用单片机。3.利用通用DSP芯片4.利用特殊用途的DSP芯片六、数字信号处理实现方法1.采用大、中小型计算机和微机。241．采用通用计算机用软件实现软件采用高级语言编写，也可利用商品化的各种DSP软件如MATLAB、SYSTEMVIEW等。该方法实现简单、灵活，但实时性较差，很少用于实时系统，主要用于教学和科研的前期研制阶段2.用单片机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，可以实时控制，但数据运算量不能太大。1．采用通用计算机用软件实现软件采用高级语言编写，253.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.利用通用DSP芯片DSP芯片较之单片机有着更为突出优点264.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。4.利用特殊用途的DSP芯片市场上推出专门用于F27七、数字信号处理的应用领域自20世纪60年代以来，数字信号处理的应用已成为一种明显的趋势，这与它突出优点分不开的。数字信号处理大致可分为：信号分析信号滤波七、数字信号处理的应用领域自20世纪60年代以来，281.信号分析任务：涉及信号特性的测量。它通常是一个频域的运算。主要应用于：谱(频率和/或相位)分析、语音分析说话人识别、目标检测、模式识别1.信号分析任务：涉及信号特性的测量。它通常是一个频域的运292.信号滤波任务：是信号入--->信号出的情况。实现这个任务的系统被称为滤波器。它通常(但不总是)作时域运算。主要应用于：滤除不需要的背景噪声，去除干扰，频带分割，信号谱的成形等。所以广泛应用于数字通信，雷达，遥感，声纳，语音合成，图象处理，测量与控制，高清晰度电视，多媒体物理学，生物医学，机器人等。2.信号滤波任务：是信号入--->信号出的情况。实现这个任303.DSP的典型应用网络无线通信家电另外还有虚拟现实，噪声对消技术，图像处理等等可以说DSP是现代信息产业的重要基石，它在网络时代的地位与CPU在PC时代的地位是一样的。3.DSP的典型应用网络31各种数字信息系统MilitaryandGovernmentCellular,SecureConnectivityDigitalMediaProcessingWebpadTelematicsWirelessDevices:

802.11,Bluetooth,OthersEnhanced

GamingIndustry-Specific

PDAsBiometricsMedicalDevicesPDA个人数据助理各种数字信息系统MilitaryandGovernmen32移动通信系统移动通信系统33手机已不仅仅是通话的工具手机已不仅仅是通话的工具34数字照相机数字照相机35飞机驾驶模拟器飞机驾驶模拟器36全球定位系统（GPS）全球定位系统（GPS）37讲授内容绪论1.离散时间信号与系统的时域分析2.离散时间信号与系统的频域分析3.离散傅里叶变换DFT4.快速傅里叶变换FFT5.IIR数字滤波器的设计6.FIR数字滤波器的设计7.数字滤波器(DF)结构频谱分析数字滤波基础讲授内容绪论频谱分析数字滤波基础38实验内容实验一FFT频谱分析与应用实验二IIR数字滤波器设计实验三FIR数字滤波器设计MATLAB软件第8章实验内容实验一FFT频谱分析与应用MATLAB软件第839参考书1.数字信号处理教程程佩青清华大学出版社2.数字信号处理(第二版)丁玉美等西安电子科技大学出版社3.数字信号处理导论胡广书清华大学出版社4.数字信号处理张小虹．机械工业出版社参考书1.数字信号处理教程405.离散时间信号处理[美]A.V奥本海姆R.W.谢弗编科学出版社6.IntroductiontoSignalProcessing信号处理导论SophoclesJ.Orfanids(奥法尼索斯S.J)清华大学出版社7.基于Matlab的系统分析与设计--信号处理楼顺天李博菡编著西安电子科大出版社5.离散时间信号处理41让我们配合，共同圆满完成本课程的学习！OK？让我们配合，共同圆满完成本课程的学习！OK？42中国矿业大学信电学院数字信号处理

DigitalSignalProcessing(DSP)中国矿业大学信电学院数字信号处理

DigitalSigna43课程性质：专业基础课

40+8学时

前修课程：信号与线性系统

后续课程：DSP原理及应用课程性质：专业基础课

444绪论一、信号与系统二、数字信号处理(DSP)三、数字信号处理系统的基本组成四、数字信号处理的特点五、数字信号处理基本学科分支六、数字信号处理实现方法七、数字信号处理的应用领域讲授内容参考书绪论一、信号与系统45绪论一、信号与系统

信号是信息的一种物理体现，是信息的载体。信号可以是多种多样的。信号以某种函数的形式传递信息。这个函数可以是时间域、频率域或其它域。但最基础的域是时域。绪论一、信号与系统

信号是信息的一种物理体现461.模拟信号和模拟系统

信号x(t)：时间连续幅度连续

处理这类信号的系统

——模拟系统1.模拟信号和模拟系统

472.离散时间信号和系统信号x(nT)：时间离散

幅度连续

处理这类信号的系统

——离散时间系统

注：可用x(n)代表时间离散、幅度连续的任何序列。2.离散时间信号和系统48

即数字信号就是幅度量化了的离散时间信号。

处理这类信号的系统

——数字系统3.数字信号和数字系统信号：时间、幅度均离散即数字信号就是幅度量化了的离散时间信号。

49

“处理”-----

用系统对信号进行某种加工。

包括：

滤波、分析、变换、综合、压缩、估计、识别等等。“处理”-----

用系统对信号进行某种加工。50凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所进行的一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算。例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等。或者说：数字信号处理是用数值计算的方法，完成对信号的处理。

因此处理的实质是“运算”，运算的基本单元是延时器、乘法器和加法器。

二、数字信号处理(DSP)凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所进行的一切变换51图0-1就是一个简单的数字滤波器，由一个加法器、一个延时器和一个乘法器组成。因此处理的实质是“运算”，运算的基本单元是延时器、加法器和乘法器。简单的模拟滤波器比较图0-1就是一个简单的数字滤波器，由一个加法器、一个延时器和52三、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.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53将输入信号xa(t)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变换器在A/D变换器中每隔T秒(抽样周期)取出一次xa(t)的幅度，抽样后的信号称为离散信号。在A/D变换器中的保持电路中进一步变换为若干位码即数字信号——序列x(n)。(1)前置滤波器将输入信号xa(t)中高于某一频率(称折叠频率，等于抽样频率54数字信号处理教学课件绪论55(3)数字信号处理器(DSP)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变换器由一个二进制码流产生一个阶梯波形，是形成模拟信号的第一步。(3)数字信号处理器(DSP)按照预定要求，在处理器中将信号56数字信号处理教学课件绪论57(5)模拟滤波器把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。即滤除掉不需要的高频分量，生成所需的模拟信号ya(t).(5)模拟滤波器把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。58四、数字信号处理的特点与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有的特点：精度高可靠性强灵活性大易于大规模集成时分复用可获得高性能指标四、数字信号处理的特点与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有591.精度高模拟系统中，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。数字系统中，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。1.精度高模拟系统中，它的精度是由元件决定，模拟元器件的精度602.可靠性强模拟系统：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。2.可靠性强模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受环境条件613.灵活性大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。3.灵活性大数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且系624.易于大规模集成数字部件：高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，体积小、重量轻，对电路参数要求不严。例：(尤其)对低频信号：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。4.易于大规模集成数字部件：高度规范性，便于大规模集成，大规635.可获得高性能指标

即可以实现模拟系统很难达到的指标或特性。

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（FIR），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。5.可获得高性能指标即可以实现模拟系统很难达到的指标或特64五、数字信号处理基本学科分支DSP:

狭义理解可为DigitalSignalProcessor------数字信号处理器广义理解可为DigitalSignalProcessing

------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。DSP的经典内容：*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。主要为FIR和IIR滤波器*数字信号频谱分析FFT谱分析统计频谱分析五、数字信号处理基本学科分支DSP:狭义理解可为Di65六、数字信号处理实现方法1.采用大、中小型计算机和微机。2.用单片机。3.利用通用DSP芯片4.利用特殊用途的DSP芯片六、数字信号处理实现方法1.采用大、中小型计算机和微机。661．采用通用计算机用软件实现软件采用高级语言编写，也可利用商品化的各种DSP软件如MATLAB、SYSTEMVIEW等。该方法实现简单、灵活，但实时性较差，很少用于实时系统，主要用于教学和科研的前期研制阶段2.用单片机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，可以实时控制，但数据运算量不能太大。1．采用通用计算机用软件实现软件采用高级语言编写，673.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.利用通用DSP芯片DSP芯片较之单片机有着更为突出优点684.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。4.利用特殊用途的DSP芯片市场上推出专门用于F69七、数字信号处理的应用领域自20世纪60年代以来，数字信号处理的应用已成为一种明显的趋势，这与它突出优点分不开的。数字信号处理大致可分为：信号分析信号滤波七、数字信号处理的应用领域自20世纪60年代以来，701.信号分析任务：涉及信号特性的测量。它通常是一个频域的运算。主要应用于：谱(频率和/或相位)分析、语音分析说话人识别、目标检测、模式识别1.信号分析任务：涉及信号特性的测量。它通常是一个频域的运712.信号滤波任务：是信号入--->信号出的情况。实现这个任务的系统被称为滤波器。它通常(但不总是)作时域运算。主要应用于：滤除不需要的背景噪声，去除干扰，频带分割，信号谱的成形等。所以广泛应用于数字通信，雷达，遥感，声纳，语音合成，图象处理，测量与控制，高清晰度电视，多媒体物理学，生物医学，机器人等。2.信号滤波任务：是信号入--->信号出的情况。实现这个任723.DSP的典型应用网络无线通信家电另外还有虚拟现实，噪声对消技术，图像处理等等可以说DSP是现代信息产业的重要基石，它在网络时代的地位与CPU在PC时代的地位是一样的。3.DSP的典型应用网络73各种数字信息系统MilitaryandGovernmentCellular,SecureConnectivityDigitalMediaProcessingWebpadTelematicsWirelessDevices:

802.11,Bluetooth,OthersEnhanced

GamingIndustry-