1、數字信號處理,Digital Signals Processing （DSP）,（）,教材： 數字信號處理教程（第三版）程偑青編著 清華大學出版社 參考書： 數字信號處理 冷建華等 國防工業(yè)出版社 數字信號處理 AV奧本海姆，R.W.謝弗， 科學出版社，1983 離散時間信號處理 AV奧本海姆，R.W.謝費， 科學出版社，1998 數字信號處理 丁玉美等 西安電子科技大學出版社,課程簡介,基于Matlab的系統(tǒng)分析與設計-信號處理 樓順天 李博菡 編著 西安電子科大出版社,課程簡介,Digital Signal Processing的研究內容 發(fā)展歷程 主要應用 實現方法 DSP概述 本課程的

2、基本內容與安排,一、Digital Signal Processing的研究內容,Digital Signal Processing的內容 利用計算機或專用處理設備，以數值計算的方法對信號進行濾波、變換、檢測、譜分析、估計、壓縮、識別等加工處理，以達到提取信息和便于應用的目的。 對數字信號進行處理的基礎理論,課程簡介,信號與系統(tǒng)主要解決的問題：,1）連續(xù)信號及其頻譜分析,2）連續(xù)時間系統(tǒng)的時域及頻域分析,課程簡介,信號是一種物理體現。在信號處理領域中，信號被定義為一個隨機變化的物理量。 例如：為了便于處理，通常都使用傳感器把這些真實世界的物理信號-電信號，經處理的電信號-傳感器-真實世界的物理

3、信號。 如現實生活中最常見的傳感器是話筒、揚聲器 話筒(將聲壓變化)-電壓信號-空氣壓力信號(揚聲器),復習：信號,同一種信號，如電信號，可從不同角度進行分類： （a）一維信號、二維信號、矢量信號 （b）周期信號和非周期信號 （c）確定性信號和隨機信號 （d）能量信號和功率信號 （e）連續(xù)信號、離散信號 （f）模擬信號和數字信號,復習：信號的分類,若信號滿足： x(t)=x(t+kT), k為正整數； 或 x(n)=x(n+kN) k,N皆為正整數，n+kN為任意整數， 則x(t)和x(n)都是周期信號，周期分別為T和N； 否則就是非周期信號。,周期信號和非周期信號,確定性信號：若信號在任意時

4、刻的取值能精確確定，則稱它為確定信號；它的一個值可以用有限個參量來唯一地加以描述。 例：直流信號：僅用一個參量可以描述。階躍信號：可用幅度和時間兩個參量描述。正弦波信號：可用幅度、頻率和相位三個參量來描述。 隨機信號：若信號在任意時刻的取值不能精確確定，或說取值是隨機的，即它不能用有限的參量加以描述。也無法對它的未來值確定性地預測。它只能通過統(tǒng)計學的方法來描述(概率密度函數來描述)。 例：許多自然現象所發(fā)生的信號、語音信號、圖象信號、噪聲都是隨機信號。它們具有幅度(能量)隨機性、或具有發(fā)生時間上的隨機性或二都兼有之。,若信號能量E有限，則稱為能量信號； 若信號功率P有限，則稱為功率信號； 信號

5、能量E可表示為,能量信號和功率信號,信號功率P可表示為,周期信號及隨機信號一定是功率信號； 非周期的絕對可積（和）信號一定是能量信號。,模擬信號：指時間連續(xù)、幅度連續(xù)的信號。 數字信號：時間和幅度上都是離散（量化）的信號。故數字信號可用一序列的數表示，而每個數又可表示為二制碼的形式。,x(t),t,x(tn),tn,x(n),n,采樣,模數,保持,轉換,模擬信號和數字信號,系統(tǒng)：處理信號的物理設備?；蛘哒f，凡是能將信號加以變換以達到人們要求的各種設備稱之系統(tǒng)。 系統(tǒng)分類：大小之分，一個大系統(tǒng)可細分為若干個小系統(tǒng)。 實際上，因為系統(tǒng)是完成某種運算（操作）的，因而我們還可把軟件編程也看成一種系統(tǒng)的

6、實現方法。,復習：系統(tǒng),按所處理的信號種類的不同可將系統(tǒng)分為四類： （a）連續(xù)時間系統(tǒng) （b）離散時間系統(tǒng) （c）模擬系統(tǒng) （d）數字系統(tǒng),信號與系統(tǒng)主要解決的問題：,1）連續(xù)信號及其頻譜分析,2）連續(xù)時間系統(tǒng)的時域及頻域分析,課程簡介,雙音頻電話按鍵“2”信號的時域及幅頻特性,1. 數字信號的頻譜及快速計算(FFT),2. 數字濾波器的設計及實現,DSP課程主要解決的問題：,課程簡介,二、發(fā)展歷程,起源于十七、十八世紀離散數學,發(fā)展可以分為2個階段：,各種模擬信號的數字化階段,數字信號處理技術本身的發(fā)展階段,動力：FFT算法的出現，微電子技術的發(fā)展,誕生于1965年，快速傅立葉變換的問世 （

7、P5）,課程簡介,五十年代：信號處理用模擬系統(tǒng)來完成；,二、發(fā)展歷程,七十年代：成熟期。1975年，A.V.Oppenheim出版了 數字信號處理，1989、1999分別出版 了兩版的離散時間信號處理。,DSP應用：信號先存儲，后處理； 設計模擬系統(tǒng)之前，先計算機仿真。 特點：由于沒有快速算法并且計算機運算速度有 限，因此DSP無法實時完成，故DSP未得 到實際應用。,六十年代：發(fā)展期。1965年，Tukey和Cooly提出了FFT。 加之計算機運算速度的提高，DSP開始得到 實際應用。,課程簡介,三、主要應用,通信、消費電子、儀器、工業(yè)控制與自動化、醫(yī)療和軍事等領域,課程簡介,A、軟件仿真：

8、在通用的計算機上編程 （MatlabSystemViewC/C+開發(fā)工具等） （教學、科研）,四、實現方法,B、硬件實現：數字信號處理硬件設備 （DSP芯片，ASIC，FPGA等）,課程簡介,ASIC：（Application Specific Intergrated Circuits）即專用集成電路，是指應特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設計、制造的集成電路。目前用CPLD（復雜可編程邏輯器件）和FPGA（現場可編程邏輯陣列）來進行ASIC設計是最為流行的方式之一，ASIC的特點是面向特定用戶的需求，品種多、批量少，要求設計和生產周期短，它作為集成電路技術與特定用戶的整機或系統(tǒng)技術緊密結合

9、的產物，與通用集成電路相比具有體積更小、重量更輕、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優(yōu)點。,FPGA：（Field Programmable Gate Array）現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。,通用DSP芯片：內部帶有乘法器，累加器，采用流水線工作方式及并行結構，多總線速度快。配有適于信號處理的指令等。 目前市場上的DSP芯片有： 美國德州儀器公司(TI):TMS320CX系列 占有90%

10、還有AT&T公司dsp16,dsp32系列 Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列 AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列,專用DSP芯片：市場上推出專門用于FFT,FIR濾波器，卷積、相關等專用數字芯片。 如：BB公司：DF17XX系列 MAXIM公司：MAXIM27X ,MAXIM28X National公司：National-SEMI系列：MF系列。 其軟件算法已在芯片內部用硬件電路實現，使用者只需給出輸入數據，可在輸出端直接得到數據。,DSP主要生產商AD、TI兩大公司主要產品性能比較（浮點DSP）,課程簡介,五、DSP概述,1. DSP的定義,研究如何用數字或符

11、號序列來表示信號以及對這些序列作處理的一門學科。,2. DSP領域的組成,信號的采集（A/D、抽樣定理、多抽樣率、量化噪聲分析等）,離散時間信號分析（時域及頻域的分析、各種變換技術）,離散時間線性非時變（LTI：Linear time-invariant）系統(tǒng) 因果穩(wěn)定的h（n）、H（z）、H(ejw),課程簡介,信號處理中的快速算法：FFT、卷積與相關等,濾波技術：IIR、FIR數字濾波器的設計及實現,信號處理中的特殊算法：抽取、插值、反卷積、信號重建等,信號的估值：各種估值理論、相關函數與功率譜估計等,信號的建模：最常用的有AR、MA、ARMA的各種模型,模擬濾波系統(tǒng)一般由電感、電容、電阻

12、或其它模擬器件組成；數字濾波系統(tǒng)只需利用數字加、乘以常數及延時等運算，即可實現與模擬系統(tǒng)一樣的功能。,前置預 濾波器,A/D 變換器,數字信號 處理器,D/A 變換器,模擬 濾波器,模擬,xa(t),PrF,ADC,DSP,DAC,PoF,模擬,ya(t),x(n),y(n),3. DSP過程（P3）,前置濾波器,將輸入信號xa(t)中高于某一頻率(稱折疊頻率，等于抽樣頻率的一半)的分量加以濾除。,t,xa(t),0,A/D變換器,由模擬信號產生數字信號（一個二進制流）。其有兩個過程：抽樣和量化。 抽樣：每隔T秒(抽樣周期)取出一次xa(t)的幅度，此信號稱為離散信號。它只表示時間點 0 ，T

13、 , 2T, nT,上的值xa(0),xa(T),xa(2T),xa(nT).。 量化：在量化電路中將抽樣信號變換成數字信號，因為一般采用有限位二進制碼，所以它所表示的信號幅度就是有一定限制的。 經過A/D變換器后，不但時間離散化了，幅度也量化了，這種信號稱為數字信號。用x(n)表示。,數字信號處理器(DSP),按照預定要求，在處理器中將信號序列x(n)進行加工處理得到輸出信號y(n).,n,y(n),D/A變換器,經過D/A變換器，將數字信號序列反過來變換成模擬信號，這些信號在時間點0,T,2TnT,上的幅度應等于序列y(n)中相應數碼所代表的數值大小。 即由一個二進制流產生一個階梯波形，是

14、形成模擬信號的第一步。,后置濾波器,把階梯波形平滑成預期的模擬信號。 以濾除掉不需要的高頻分量，生成所需的模擬信號ya(t).,t,ya(t),4. DSP系統(tǒng)的優(yōu)點（P5-6）,(1) 具有高度的靈活性,(2) 高穩(wěn)定性和高精度,(3) 便于大規(guī)模集成,(4) 可以實現模擬系統(tǒng)無法實現的功能（TDM）,(5) 可以得到很高的性能指標,缺點 速度 價格,數字系統(tǒng)的性能主要決定于乘法器的各系數，且系數存放于系數存儲器內，只需改變存儲的系數，就可得到不同的系統(tǒng)，比改變模擬系統(tǒng)方便得多。,靈活性大,在模擬系統(tǒng)中，它的精度是由元件決定，模擬元器件的精度很難達到10-3以上。而數字系統(tǒng)中，17位字長就可

15、達10-5精度，所以在高精度系統(tǒng)中，有時只能采用數字系統(tǒng)。,精度高,數字系統(tǒng)：只有兩個信號電平0，1受噪聲及環(huán)境條件等影響小。 模擬系統(tǒng)：各參數都有一定的溫度系數，易受環(huán)境條件，如溫度、振動、電磁感應等影響，產生雜散效應甚至振蕩等 且數字系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路，其故障率遠遠小于采用眾多分立元件構成的模擬系統(tǒng)。,高穩(wěn)定性,數字部件：高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成，大規(guī)模生產，對電路參數要求不嚴，故產品成品率高。 例：(尤其)在低頻信號：如地震波分析，需要過濾幾Hz幾十Hz的信號，用模擬系統(tǒng)處理其電感器、電容器的數值，體積，重量非常大，且性能亦不能達到要求，而數字信號處理系統(tǒng)在這個頻率處卻非常優(yōu)越(顯

16、示出體積，重量和性能的優(yōu)點）。,易于大規(guī)模集成,利用DSP同時處理幾個通道的信號。 某一路信號的相鄰兩抽樣值之間存在很大的空隙時間，因而在同步器的控制下，在此時間空隙中送入其他路的信號，而各路信號則利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信號后，再算另一路信號，因而處理器運算速度越高，能處理的信道數目也就越多。,時分復用,例：對信號進行頻譜分析 模擬頻譜儀在頻率低端只能分析到10Hz以上頻率，且難于做到高分辨率(也即足夠窄的帶寬)。 但在數字的譜分析中，已能做到10-3Hz的譜分析。 又例：有限長沖激響應數字濾波器，則可實現準確的線性相位特性，這在模擬系統(tǒng)中是很難達到的。,可獲得高性能指

17、標,數字系統(tǒng)的速度還不算高，因而不能處理很高頻率的信號。(因為抽樣頻率要滿足奈奎斯特準則定理) 另外，數字系統(tǒng)的設計和結構復雜，價格較高，對一些要求不高的應用來說，還不宜使用。,局限性,六、本課程的基本內容與安排,數字信號處理,離散時間信號及其運算,變換,離散時間系統(tǒng)及其設計,離散時間信號,離散時間信號的卷積和,濾波器的理論、IIR、FIR數字濾波器的設計,課程簡介,DTFT、DFT、ZT、FFT,六、本課程的基本內容與安排,課程簡介,1.離散時間信號與系統(tǒng)（Ch1） 2. Z變換與離散時間傅里葉變換（Ch2） 3.離散付里葉變換DFT（Ch3） 4.快速付里葉變換FFT（Ch4） 5.數字濾波器(DF)的結構和實現方法（Ch5） 6. IIR數字濾波器的設計（Ch6） 7. FIR數字濾波器