DSPChap_1_Introduction.ppt

1、DISCRETE-TIME SIGNAL PROCESSING,Alan V. Oppenheim,2010-3-2,2,教材,DISCRETE-TIME SIGNAL PROCESSING (2nd Edition) Alan V. Oppenheim 清华大学出版社 RMB 45.00,2010-3-2,3,参考书,教材中译版 离散时间信号处理（第2版） 刘树棠, 西安交通大学出版社 RMB 78.00 实验参考书 基于MATLAB的系统分析与设计信号处理 楼顺天, 西安电子科技大学出版社 实验指导书,2010-3-2,4,Chapter 1 INTRODUCTION,1.1 What i

2、s digital signal? 1.2 What is digital signal processing? 1.3 Realization of digital signal processing 1.4 Character of digital signal processing 1.5 Application of digital signal processing 1.6 Three parts of this course,2010-3-2,5,1.1 What is digital signal?,The term signal is generally applied to

3、something that conveys information, denoted by V(t), x(t), or f(x,y). Continous-time signals are defined along a continuum of times, and thus are represented by a continuous independent variable. Continuum: 统一体, 一个连续不断的范围、顺序或整体，除非用硬性分割不能将其中一部分当作邻近部分区分开来 Discrete-time signals are defined at discrete

4、times, and thus the independent variable has discrete values; i.e., discrete-time signals are represented as sequences of numbers. Digital signals are those for which both time and amplitude are discrete.,2010-3-2,6,2010-3-2,7,数字和模拟声音信号举例,声带等震动气压变化和传播麦克风的电压变化 (模拟记录 or 数字记录) 模拟信号 磁带：用磁性强弱记录 乙烯树脂唱片：用密

5、布的波状沟纹记录 数字信号 磁盘：用微粒被吸引至两个方向之一记录0和1 CD光盘：用铝层表面的凹凸不平记录0和1串,2010-3-2,8,1.2 What is digital signal processing?,Continuous-time systems are systems for which both input and output are continuous time signals. Discrete-time systems are those for which both input and output are discrete-time signals. Digi

6、tal systems are those for which both input and output are digital signals. Digital signal processing deals with the transformation of signals that are discrete in both amplitude and time. Its essential is operation of adding, multiplying, and delaying.,2010-3-2,9,Hardware of a continuous-time low pa

7、ss filter,Signal flow graph of a discrete-time low pass filter (a0),Difference equation is yn = xn + ayn 1,2010-3-2,10,2D filter,2D low pass filter,2D high pass filter,2010-3-2,11,1.3 Implementation of digital signal processing,Software Flexible; slowly Hardware Fast, small; no flexibility Hardware

8、and software Programmable DSP chip (digital signal processor) Fast, flexible,2010-3-2,12,Character of digital signal processor,采用改进的哈佛总线结构 有硬件乘法器 使用流水线结构 有片内内存 有一套专为数字信号处理设计的寻址方式和指令系统 多芯片并行运行,2010-3-2,13,两种计算机结构,冯诺依曼结构 哈佛结构（改进型）,2010-3-2,14,Pipelining,基本的3级流水线操作 高级DSP进一步细分这三个阶段，达到8级流水线,2010-3-2,15,E

9、xample of programmable DSP chip,TI 定点: TMS320C1X, TMS320C2X/C2XX, TMS320C5X/C54X, TMS320C62XX 浮点: TMS320C3X/C4X/C8X/C67XX ADI 定点: ADSP21XX 浮点: ADSP21XXX AT&T 定点: DSP16, DSP16A, DSP16C, DSP1610, DSP1616 浮点: DSP32, DSP32C, DSP3210 MOTOROLA 定点: MC56000, MC56001, MC56002 浮点: MC96002 专用: MC56200, MC56156

10、,2010-3-2,16,浮点与定点芯片的主要优劣比较,2010-3-2,17,Example of hardware and software realization,2010-3-2,18,Real-time implementation,系统必须在有限的时间内对外部的输入信号完成指定的处理，即信号处理的速度必须大于或等于信号更新的速度；从信号输入到处理后信号输出的延迟必须足够小。,实时性取决于 算法复杂度 实时性取决于数据量（采样率） 设备的处理速度 缓冲大小,2010-3-2,19,举例,音频信号的采样及压缩（DSP或CPU执行程序） 分配乒乓（双）缓冲或循环（多）缓冲，每个缓冲大小为

11、一帧。采样程序（中断程序）采样数据并放在乒缓冲内，压缩程序压缩乓缓冲内的数据。 如果乒缓冲被放满前，乓缓冲的数据已被压缩完并存入硬盘，则压缩程序等待乒缓冲放满，然后压缩乒缓冲的数据，采样程序继续采样并将数据放入乓缓冲。这就是实时处理。如果处理速度低于采样速度，则当乒缓冲被放满时，乓缓冲的数据还未被压缩完，采样程序就要等待压缩程序，即采样的数据丢掉不存，这就是不能达到实时处理。 设采样率48KHz，帧长为1152个采样点。则采样一帧的时间为1152/48k=24ms，所以压缩一帧的时间须小于24ms延时=采样时间+处理时间。 音频信号的解压及回放 解压后的数据帧和正在回放的数据帧分别放在乒乓缓冲

12、中。解压程序速度必须高于回放程序。,2010-3-2,20,1.4 Character of digital signal processing,Higher precision Higher flexibility Higher reliability Cheaper Predictability More process abilities,2010-3-2,21,举例,数字电视的优势,2010-3-2,22,产生的问题,数据量大，压缩很关键 假设用48kHz、16bit来进行立体声采样 比特率为：48000*16*2/8=192K字节/S 一个汉字在电脑里占用两个字节，192K字节可以存

13、储9.6万个汉字（一部中篇小说）。 而MP3仅为128kbps=16k字节/S，压缩比12：1，双声道需存储空间1M/分钟 未压缩的视频信号数据量640*480*24帧/秒 = 27Mbyte/s 版权,2010-3-2,23,有损音频压缩原理简介,在安静的环境下，某一频率的声音刚好能被听见的强度，体现出人耳对不同频率的敏感程度不同。,2010-3-2,24,有损音频压缩原理简介 (contd),频率掩蔽现象：某一频率的声音的存在，使其邻近频率的声音必须远高于静态掩蔽值才能被听到。 前者称掩蔽音(masking tone) ，后者称被掩蔽音(masked tone) 。,2010-3-2,25

14、,有损音频压缩原理简介 (contd),时间掩蔽现象：当某一较强的声音（掩蔽音）停止后，与其邻近频率的另一较弱的声音（被掩蔽音）要过一段时间才能被听见。时间掩蔽曲线表示掩蔽音停止后过一段时间，被掩蔽音能被听见的强度阈值。,2010-3-2,26,有损音频压缩原理简介 (contd),心理声学模型利用人耳的生理和心理特性计算信号的掩蔽阈值,2010-3-2,27,有损音频压缩原理简介 (contd),压缩的基本途径：心理声学模型得到信号的频域掩蔽曲线，若某频率处信号的强度低于该频率处的掩蔽阈值，则不能被人耳感受，可以去除；另外对于不能去除的频率成分，对其进行量化以减少编码比特，其中选择量化阶的依

15、据就是使量化噪声低于掩蔽阈值，使人耳感觉不到，另外huffman等熵编码（无损）也能进一步提高压缩比。,MPEG-1 layer3 编码器框图,2010-3-2,28,LSB水印简介,2010-3-2,29,1.5 Application of digital signal processing,Almost anywhere right now Communications Entertainment Medicine Military Exploration Archaeology,2010-3-2,30,个人数码产品,DAT（数字磁带录音机） CD MD（迷你唱片） MP3播放机 VCD

16、播放机 DVD播放机 数码相机 数码摄像机 数码扫描仪 PDA 数字手机,2010-3-2,31,数字通信,2010-3-2,32,数字电台和数字电视,2010-3-2,33,数字网络,因特网 办公室局域网 蓝牙技术为数码设备建立无线连接 信息高速公路,2010-3-2,34,虚拟现实技术,2010-3-2,35,电子纸,2010-3-2,36,1.6 Three parts of this course,Basis of discrete-time signal and systems Structure and designing of filter The discrete Fourie

17、r transform and FFT,2010-3-2,37,关于本课程,共54学时（3学分） 授课：45学时 实验：9学时（3个MATLAB实验） 本课程的重要性（期末考试） 考研 出国 工作 本课程的难点： 内容多 习题多 英语教材,2010-3-2,38,总评成绩构成,1. 期末笔试70分。 2. 平时成绩30分。 作业13分；实验报告12分；出勤5分（包括点名、随堂练习、课堂提问、论坛参予）。 3. 附加1.5分（登记时记入期末成绩折算成2分）。 高质量的小论文（对教学方式、学习方法，知识点的讨论等）或自主设计的实验报告（自己出题目并编程完成， 采用C语言或MATLAB语言均可）。,2010-3-2,39,作业要求,教材上的习题，电子书后有标准答案（不一定都正确），希望尽量采用自己的方法，成绩以“ABCD”的方