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数字信号处理,Digital Signals Processing（DSP）,（）,教材：数字信号处理教程（第三版）程偑青编著清华大学出版社参考书：数字信号处理 冷建华等 国防工业出版社数字信号处理 AV奥本海姆，R.W.谢弗，科学出版社，1983 离散时间信号处理 AV奥本海姆，R.W.谢费，科学出版社，1998 数字信号处理 丁玉美等 西安电子科技大学出版社,课程简介,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,课程简介,Digital Signal Processing的研究内容 发展历程 主要应用 实现方法 DSP概述 本课程的基本内容与安排,一、Digital Signal Processing的研究内容,Digital Signal Processing的内容利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等加工处理，以达到提取信息和便于应用的目的。对数字信号进行处理的基础理论,课程简介,信号与系统主要解决的问题：,1）连续信号及其频谱分析,2）连续时间系统的时域及频域分析,课程简介,信号是一种物理体现。在信号处理领域中，信号被定义为一个随机变化的物理量。例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这些真实世界的物理信号-电信号，经处理的电信号-传感器-真实世界的物理信号。如现实生活中最常见的传感器是话筒、扬声器话筒(将声压变化)-电压信号-空气压力信号(扬声器),复习：信号,同一种信号，如电信号，可从不同角度进行分类：（a）一维信号、二维信号、矢量信号（b）周期信号和非周期信号（c）确定性信号和随机信号（d）能量信号和功率信号（e）连续信号、离散信号（f）模拟信号和数字信号,复习：信号的分类,若信号满足：x(t)=x(t+kT),k为正整数；或 x(n)=x(n+kN)k,N皆为正整数，n+kN为任意整数，则x(t)和x(n)都是周期信号，周期分别为T和N；否则就是非周期信号。,周期信号和非周期信号,确定性信号：若信号在任意时刻的取值能精确确定，则称它为确定信号；它的一个值可以用有限个参量来唯一地加以描述。例：直流信号：仅用一个参量可以描述。阶跃信号：可用幅度和时间两个参量描述。正弦波信号：可用幅度、频率和相位三个参量来描述。随机信号：若信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(概率密度函数来描述)。例：许多自然现象所发生的信号、语音信号、图象信号、噪声都是随机信号。它们具有幅度(能量)随机性、或具有发生时间上的随机性或二都兼有之。,若信号能量E有限，则称为能量信号；若信号功率P有限，则称为功率信号；信号能量E可表示为,能量信号和功率信号,信号功率P可表示为,周期信号及随机信号一定是功率信号；非周期的绝对可积（和）信号一定是能量信号。,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。故数字信号可用一序列的数表示，而每个数又可表示为二制码的形式。,x(t),t,x(tn),tn,x(n),n,采样,模数,保持,转换,模拟信号和数字信号,系统：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称之系统。系统分类：大小之分，一个大系统可细分为若干个小系统。实际上，因为系统是完成某种运算（操作）的，因而我们还可把软件编程也看成一种系统的实现方法。,复习：系统,按所处理的信号种类的不同可将系统分为四类：（a）连续时间系统（b）离散时间系统（c）模拟系统（d）数字系统,信号与系统主要解决的问题：,1）连续信号及其频谱分析,2）连续时间系统的时域及频域分析,课程简介,双音频电话按键“2”信号的时域及幅频特性,1.数字信号的频谱及快速计算(FFT),2.数字滤波器的设计及实现,DSP课程主要解决的问题：,课程简介,二、发展历程,起源于十七、十八世纪离散数学,发展可以分为2个阶段：,各种模拟信号的数字化阶段,数字信号处理技术本身的发展阶段,动力：FFT算法的出现，微电子技术的发展,诞生于1965年，快速傅立叶变换的问世（P5）,课程简介,五十年代：信号处理用模拟系统来完成；,二、发展历程,七十年代：成熟期。1975年，出版了 数字信号处理，1989、1999分别出版 了两版的离散时间信号处理。,DSP应用：信号先存储，后处理；设计模拟系统之前，先计算机仿真。特点：由于没有快速算法并且计算机运算速度有 限，因此DSP无法实时完成，故DSP未得 到实际应用。,六十年代：发展期。1965年，Tukey和Cooly提出了FFT。加之计算机运算速度的提高，DSP开始得到 实际应用。,课程简介,三、主要应用,通信、消费电子、仪器、工业控制与自动化、医疗和军事等领域,课程简介,A、软件仿真：在通用的计算机上编程（MatlabSystemViewC/C+开发工具等）（教学、科研）,四、实现方法,B、硬件实现：数字信号处理硬件设备（DSP芯片，ASIC，FPGA等）,课程简介,ASIC：（Application Specific Intergrated Circuits）即专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。目前用CPLD（复杂可编程逻辑器件）和FPGA（现场可编程逻辑阵列）来进行ASIC设计是最为流行的方式之一，ASIC的特点是面向特定用户的需求，品种多、批量少，要求设计和生产周期短，它作为集成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比具有体积更小、重量更轻、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。,FPGA：（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。,通用DSP芯片：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,专用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。,DSP主要生产商AD、TI两大公司主要产品性能比较（浮点DSP）,课程简介,五、DSP概述,1.DSP的定义,研究如何用数字或符号序列来表示信号以及对这些序列作处理的一门学科。,2.DSP领域的组成,信号的采集（A/D、抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等）,离散时间信号分析（时域及频域的分析、各种变换技术）,离散时间线性非时变（LTI：Linear time-invariant）系统 因果稳定的h（n）、H（z）、H(ejw),课程简介,信号处理中的快速算法：FFT、卷积与相关等,滤波技术：IIR、FIR数字滤波器的设计及实现,信号处理中的特殊算法：抽取、插值、反卷积、信号重建等,信号的估值：各种估值理论、相关函数与功率谱估计等,信号的建模：最常用的有AR、MA、ARMA的各种模型,模拟滤波系统一般由电感、电容、电阻或其它模拟器件组成；数字滤波系统只需利用数字加、乘以常数及延时等运算，即可实现与模拟系统一样的功能。,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,模拟,xa(t),PrF,ADC,DSP,DAC,PoF,模拟,ya(t),x(n),y(n),3.DSP过程（P3）,前置滤波器,将输入信号xa(t)中高于某一频率(称折叠频率，等于抽样频率的一半)的分量加以滤除。,t,xa(t),0,A/D变换器,由模拟信号产生数字信号（一个二进制流）。其有两个过程：抽样和量化。抽样：每隔T秒(抽样周期)取出一次xa(t)的幅度，此信号称为离散信号。它只表示时间点 0，T,2T,nT,上的值xa(0),xa(T),xa(2T),xa(nT).。量化：在量化电路中将抽样信号变换成数字信号，因为一般采用有限位二进制码，所以它所表示的信号幅度就是有一定限制的。经过A/D变换器后，不但时间离散化了，幅度也量化了，这种信号称为数字信号。用x(n)表示。,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).,n,y(n),D/A变换器,经过D/A变换器，将数字信号序列反过来变换成模拟信号，这些信号在时间点0,T,2TnT,上的幅度应等于序列y(n)中相应数码所代表的数值大小。即由一个二进制流产生一个阶梯波形，是形成模拟信号的第一步。,后置滤波器,把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。以滤除掉不需要的高频分量，生成所需的模拟信号ya(t).,t,ya(t),4.DSP系统的优点（P5-6）,(1)具有高度的灵活性,(2)高稳定性和高精度,(3)便于大规模集成,(4)可以实现模拟系统无法实现的功能（TDM）,(5)可以得到很高的性能指标,缺点 速度 价格,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。,灵活性大,在模拟系统中，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。而数字系统中，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。,精度高,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。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。,高稳定性,数字部件：高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，对电路参数要求不严，故产品成品率高。例：(尤其)在低频信号：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）。,易于大规模集成,利用DSP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DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信号后，再算另一路信号，因而处理器运算速度越高，能处理的信道数目也就越多。,时分复用,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，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。,可获得高性能指标,数字系统的速度还不算高，因而不能处理很高频率的信号。(因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理)另外，数字系统的设计和结构复杂，价格较高，对一些要求不高的应用来说，还不宜使用。,局限性,六、本课程的基本内容与安排,数字信号处理,离散时间信号及其运算,变换,离散时间系统及其设计,离散时间信号,离散时间信号的卷积和,滤波器的理论、IIR、FIR数字滤波器的设计,课程简介,DTFT、DFT、ZT、FFT,六、本课程的基本内容与安排,课程简介,1.离散时间信号与系统（Ch1）2.Z变换与离散时间傅里叶变换（Ch2）3.离散付里叶变换DFT（Ch3）4.快速付里叶变换FFT（Ch4）5.数字滤波器(DF)的结构和实现方法（Ch5）6.IIR数字滤波器的设计（Ch6）7.FIR数字滤波器的设计（Ch7）,六、本课程的基本内容与安排,课程简介,必备的基础知识,高等数学、复变函数、信号与系统函数；度与弧度的概念；有理函数；幂函数和指数函数积分分贝；十进制、二进制和十六进制复数、复平面、极坐标；求和运算,学习目标,建立数字信号与系统的概念掌握数字信号与系统及处理的基本理论理论与实践相结合，将基本理论用C/C+语言进行实现，应用Matlab体会数字信号基本处理的过程与功能，并进行基本的仿真开发。,1、课前预习。2、记笔记。记重点、记方法。3、课后复习，独立完成作业。4、合理安排时间，提高学习效率。,学习要求,