数字信号处理ch0绪论.ppt

同学们好！,数字信号处理(Digital Signal Processing),信号与系统系列课程组 国家电工电子教学基地,主讲教师,办公室：9号教学楼南206室办公电话：51688206手机：,周航,本课程评分准则,平时作业 10%专题研讨 20%期中考试 20%期末考试 50%,补充说明:,期末考试40分以下不计平时成绩。每周一上课为上周作业固定上交时间（Deadline）。恕不接受延期补交的作业。3.写出创新思想的小论文可获加分。,主教材:高等教育“十一五”国家级规划教材,辅助教材:,数字信号处理（第二版）陈后金，薛健，胡健高等教育出版社，2008,数字信号处理学习指导和习题精解陈后金，薛健，胡健高等教育出版社，2005,DSP绪论,本期数字信号处理课程体系及内容,DSP绪论,第1章 离散信号与系统分析第2章 离散Fourier变换(DFT)第3章 离散Fourier变换快速算法(FFT)第4章 IIR数字滤波器的设计第5章 FIR数字滤波器的设计第6章 功率估计第7章 多速率信号处理基础第8章 信号时频分析与小波分析,本期数字信号处理课程体系及内容,DSP绪论,1 Sanjit K.Mitra.Digital Signal Processing:A computer-based approach.McGraw-Hill Companies.北京清华大学出版社,20002 John.Proakis,Digital Signal Processing:Principles,Algorithms and Application,3rd edition,Prentice Hall,19963 L.B.Jackson.Digital filters and signal processing.3rd edition,Kluwer Academic Publishers,1996 4 P.P.Vaidyanathan,Multirate systems and filter banks,Prentice Hall,Englewood Cliffs NJ,19935 N.J.Fliege,Multirate digital signal processing.John Wiley&Sons,NY,1994,主要参考书,DSP绪论,6 吴湘淇等.信号、系统与信号处理（第2版）.北京电子 工业出版社,19997 吴湘淇等.信号、系统与信号处理软硬件实现，北京电子工业出版社,20028 陈后金等.信号分析与处理实验.北京高等教育出版社,20069 A.V.奥本海姆.离散时间信号处理.西安西安交大出版社,199910 彭启琮等.DSP技术的发展与应用.高等教育出版社,200411 胡广书.数字信号处理.北京清华大学出版社,199712 M.H.海因斯.数字信号处理习题集.北京科学出版社,2002.,主要参考书,DSP绪论,绪论,一.什么是数字信号处理二.数字信号处理的基本组成三.数字信号处理的学科概貌四.数字信号处理的实现方法五.数字信号处理的特点六.数字信号处理的应用七.数字信号处理的发展趋势,DSP绪论,数字信号处理(DSP,Digital Signal Processing):是20世纪60年代，随着信息学科和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。数字信号处理是把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数字的数值计算方法处理（例如：滤波、变换、增强、估计、识别等），达到提取有用信息便于应用的目的。,一.什么是数字信号处理,DSP绪论,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。对于DSP：狭义理解可为Digital Signal Processor 数字信号处理器。广义理解可为Digital Signal Processing 译为数字信号处理技术。在此我们讨论的DSP的概念是指广义的理解。,一.什么是数字信号处理,DSP绪论,信号、系统和信号处理回顾,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),1.信号,信号:信号是一个或多个独立变量的函数,该函数含有物理系统的信息，或表示物理系统状态或行为。(e.g.:i(t),v(t),g(x,y)独立变量:时间、距离、速度、位置、温度和压力等。,DSP绪论,（1）信号分类,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,DSP绪论,按独立变量个数分：1-D 信号：单个独立变量的一维函数,e.g.语音信号。2-D 信号：两个独立变量的二维函数,e.g.图像信号。M-D 信号：多个独立变量的多维函数,e.g.彩色视频信号(RGB)。波形:信号幅度随独立变量变化的函数，通常1-D 信号的独立变量 为时间。按独立变量连续性分（Continuous-Time SignalsAnalog Signals;Discrete-Time Signals Digital Signals）：连续时间信号(CTS)：独立时间变量连续有定义。离散时间信号(DTS)：独立时间变量在离散时间点有定义。模拟信号(AS)：独立时间变量连续有定义，且信号幅值连续有定义。数字信号(DS)：独立时间变量在离散时间点有定义、信号幅值仅 取离散值，且通常用二进制编码表示。,（1）信号分类,DSP绪论,1.连续时间信号：CTS(Continuous Time Signal/Analog Signal)x(t),2.离散时间信号：DTS(Discrete Time Signal/Sequence)xk,（在离散时间点上取值）,DSP绪论,（2）信号的最基本的参数,频率和幅度3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航)甚低频30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)低频3003000kHz:Medium frequency(调幅广播)中频3-30MHz:High frequency(HF)(无线电爱好者，国际广播，军事通信 无绳电话，电报，传真)高频30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM，甚高频电视)0.33GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信)超高频频率低20Hz范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，能被感觉到。(处于VLF Very low frequency)甚低频频率20Hz20KHz称为声波，Low frequency(处于LF)低频频率20KHz称为超声波，具有方向性，可以成束(处于LF),DSP绪论,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。,2.系统,DSP绪论,（1）系统分类,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,DSP绪论,（a）连续时间系统,连续时间系统：处理连续时间信号。系统输入、输出均为连续时间连续幅度的模拟信号。,DSP绪论,（b）离散时间系统,离散时间系统：处理离散时间信号（序列）。系统输入、输出均为连续时间信号。,DSP绪论,（c）模拟系统,模拟系统：处理模拟信号。系统输入、输出均为连续时间连续幅度的模拟信号。,DSP绪论,（d）数字系统,数字系统：处理数字信号。系统输入、输出均为数字信号。以上系统可以是线性的或非线性的，时不变或时变的。,DSP绪论,3.信号处理,信号处理是研究系统对含有信息的信号进行处理（变换），以获得人们所希望的信号，从而达到提取信息、便于利用的一门学科。,系统,处理,y(t),x(t),DSP绪论,(1)信号处理的内容,滤波变换检测谱分析估计压缩识别等一系列的加工处理。,DSP绪论,（2）数字信号处理的引入,多数科学和工程中遇到的是模拟信号。以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。模拟信号处理缺点：难以做到高精度，受环境影响较大，可靠性差，且不灵活等。随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展，加之从60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。,DSP绪论,模拟信号的数字信号处理系统:,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),二.数字信号处理的基本组成,DSP绪论,(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，等于抽样频率的一半)的分量加以滤除。,t,xa(t),0,DSP绪论,(2)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：抽样和保持。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,kT,上的值xa(0),xa(T),xa(2T),xa(kT).。保持：在保持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xk表示。,DSP绪论,例子,如4位码，只能表示24=16种不同的信号幅度，这些幅度称为量化电平。当离散时间信号幅度与量化电平不相同时，就要以最接近的一个量化电平来近似它。所以经过A/D变换器后，不但时间离散化了，而且幅度也量化了，产生一个二进制流。,DSP绪论,t,0,xa(t),0,xk的二进制数,0011,0110,0011,0110,0111,0010,1100,1001,1001,0010,抽样,量化,k,xk,k,DSP绪论,(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xk进行加工处理得到输出信号yk。,k,yk,DSP绪论,(4)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,2TkT,上的幅度应等于序列yk中相应数码所代表的数值大小。即由一个进制流产生一个阶梯波形，是形成模拟信号的第一步。,DSP绪论,(5)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),DSP绪论,实际数字信号处理系统:,实际系统并不一定要包括它的所有框图。如有些系统只需数字输出，可直接以数字形式显示或打印，就不需要D/A变换器；另一些系统的输入就是数字量，因而就不需要A/D变换器；纯数字系统则只需要数字信号处理器这一核心即可。,二.数字信号处理的基本组成,DSP绪论,1.1 数字信号处理开端,在国际上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里叶变换(FFT)的问世，作为数字信号处理这一学科的开端。而它的历史可以追溯到17世纪-18世纪，也即牛顿和高斯的时代。,三.数字信号处理的学科概貌,DSP绪论,1.数字信号处理技术的进程,年代(20世纪)特点$/MIPS60年代大学探索$100$1,00070年代军事运用$10$10080年代商用成功$1$1090年代进入消费类电子$0.1$1今后生活用品$0.01$0.1*1975年 A.V.Oppenheim、R.W.Schafer Digital Signal Processing,三.数字信号处理的学科概貌,DSP绪论,2.数字信号处理领域的理论基础,数字信号处理的基本工具：微积分，概率统计，随机过程，高等代数，数值分析，近代代数，复杂函数。数字信号处理的理论基础：离散线性变换(LSI)系统理论，离散付里叶变换(DFT)。,三.数字信号处理的学科概貌,DSP绪论,3.“数字信号处理”又成为一些学科的理论基础,在学科发展上，数字信号处理又和最优控制，通信理论，故障诊断等紧紧相连，成为人工智能，模式识别，神经网络，数字通信等新兴学科的理论基础。,三.数字信号处理的学科概貌,DSP绪论,4.数字信号处理学科内容,（1）离散时间线性时不变系统分析（2）离散时间信号时域及频域分析、离散付里叶变换（DFT）理论。线性系统与非，时变系统与非，线性时（移）不变系统，因果系统与非，线性时（移）不变因果系统。（3）信号的采集，实现信号的数字化。包括A/D,D/A技术，抽样，多率抽样，量化噪声理论等。（4）数字滤波技术（无限长单位冲击响应）IIR数字滤波器的分析与设计；（有限长单位冲击响应）FIR数字滤波器的分析与设计。（5）谱分析和谱估计理论确定信号：谱分析；随机信号：相关计算、谱估计。,DSP绪论,（6）快速付里叶变换（FFT），快速卷积与相关算法。（7）自适应信号处理（8）信号的压缩，包括语音信号与图象信号的压缩（9）信号的建模，包括AR，MA，ARMA，CAPON，PRONY等各种模型。（10）其他特殊算法，包括同态处理、反卷积、抽取与内插、信号重建等。（11）数字信号处理的实现。在通用微机上，用软件实现;用单片机实现;专用数字信号处理芯片DSP（12)数字信号处理的应用。,4.数字信号处理学科内容,DSP绪论,以上（1）（2）（3）三点是理论和技术分析的基础，是最基本的，（4）（5）（6）为本课程教学内容。其中滤波技术又可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数字滤波器。自适应信号处理作为简介。,三.数字信号处理的学科概貌,DSP绪论,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,四.数字信号处理的实现方法,DSP绪论,1.采用大、中小型计算机和微机,工作站和微机上各厂家的数字信号软件，如有各种图象压缩和解压软件。用这一方法优点：可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。,四.数字信号处理的实现方法,DSP绪论,2.用单片机,由于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，其能达实时控制，但数据运算量不能太大。,四、数字信号处理的实现方法,DSP绪论,3.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,四、数字信号处理的实现方法,DSP绪论,4.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。,四、数字信号处理的实现方法,DSP绪论,与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有如下特点：1、精度高2、可靠性高3、灵活性大4、易于大规模集成5、时分复用6、可获得高性能指标7、二维与多维处理,优点：,五.数字信号处理的特点,DSP绪论,1.精度高,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。,五.数字信号处理的特点,DSP绪论,2.可靠性强,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。,五.数字信号处理的特点,DSP绪论,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。,五.数字信号处理的特点,DSP绪论,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。,五.数字信号处理的特点,DSP绪论,5.时分复用,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。,多路器,DSP,分路器,同步,123n,123n,五.数字信号处理的特点,DSP绪论,6.可获得高性能指标,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。,五.数字信号处理的特点,DSP绪论,7.二维与多维处理,利用庞大的存储单元，可以存储一帧或数帧图象信号，实现二维甚至多维信号包括二维或多维滤波，二维及多维谱分析等。,五.数字信号处理的特点,DSP绪论,缺点：,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。,五.数字信号处理的特点,DSP绪论,1、经典信号处理：数字滤波、自适应滤波、快速付里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。2、现代信号处理：AR、ARMA、卡尔曼滤波、小波变换等。3、语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。4、图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。5、军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。,六.数字信号处理的应用,DSP绪论,6、仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。7、自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。8、医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。9、家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。,六.数字信号处理的应用,DSP绪论,滤波选频滤波e.g.:多正弦信号：,DSP的具体应用,DSP绪论,2.语音处理,均衡;编码与压缩多声道模拟、混响效果,应用：语音处理,DSP绪论,3.信号预测,应用：信号预测,DSP绪论,4.语音传输,应用：信号传送(I),DSP绪论,5.图象处理:边沿检测,应用：图象处理（I）,DSP绪论,应用：Mobile phone,DSP绪论,应用：The handset is not only used for voice communication,DSP绪论,应用：ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line),DSP绪论,应用：Digital Camera,DSP绪论,应用：HDTV-High Definition TV,DSP绪论,应用：PDP(Plasma Display)TV,DSP绪论,应用：Home Theater,DSP绪论,应用：DVD(Digital Video Disc),DSP绪论,应用：Simulator of airplane,DSP绪论,应用：GPS(Global Position System),DSP绪论,应用：Radar/Sonar,DSP绪论,应用：Cruise missile&Smart bomb,DSP绪论,应用：Pattern recognition,DSP绪论,应用：Fingerprint distinguish,DSP绪论,数字信号处理技术已经成熟,正在获得广泛的应用。目前在电子和通信领域正在进行一场数字化革命,s在其中扮演着主要角色,它为新体制、新原理和新算法提供了最佳的实现条件。DSP技术的发展趋势，可用四个字“多快好省”来概括。,七.数字信号处理的发展趋势,DSP绪论,1、多、快,1.多。可从广度和深度看，广度是指DSP的型号越来越多。如TMS320C2x（控制）/5x（低功耗）/6x（高性能处理）.从深度讲是多CPU的糅合，一种多DSP的糅合，一种DSP的核和其他事务性处理的核的糅合在一起如RM核。2.快，即运算的速度越来越快，指令速度越来越快，频率越来越高，功能越来越强。,DSP绪论,2、好、省,3.好。主要是指性能价格比。性价比符合摩尔定律：每隔18个月，芯片的速度提高一倍，价格是原来的一半。这是由于半导体工艺的发展，使得成本降低引起的。4.省。功耗越来越低。由于DSP多快好省的发展，DSP的应用范围越来越宽。,DSP绪论,小结,一.什么是数字信号处理二.数字信号处理的基本组成三.数字信号处理的学科概貌四.数字信号处理的实现方法五.数字信号处理的特点六.数字信号处理的应用七.数字信号处理的发展趋势,