数字信号处理第一章绪论.ppt
数字信号处理,王倩雪,Digital Signal Processing,若干概念 通信想要传送的对象。如语音、图像、文字等。消息的有效内容。不同消息可有相同内容。携带了消息（信息）的某种物理量，以其为载体。如电信号、光信号等。分析随时间变化的物理过程的科学，对信号 进行所需的变换，使之便于分析识别和利用。,消息：,信息：,信号：,课程概况,信号处理：,课程概况,若干概念（续）,状态连续变化的消息。消息的状态数是有限的，或 消息状态是离散型的。,消息的传递是通过它的物质载体电信号来实现的，即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度、频率或相位；脉冲波的幅度、宽度或位置）。按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类，即模拟信号和数字信号。,信号的某参量取值是连续或离散的。,y,y,t,t,t,t,y,y,模拟信号 数字信号,连续时间信号,离散时间信号,连续消息（模拟消息）：,离散消息（数字消息）：,模拟信号、数字信号：,课程概况,数字信号处理是把信号表示成数字符号序列，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、压缩、增强、估计、识别等），以达到提取有用信息便于应用的目的。数字信号处理主要是对幅度和时间都是离散的信号进行变换。,理论研究，包括快速算法的研究 DSP算法在各信号处理领域中的应用 DSP的硬件实现及固件开发,数字信号处理的研究方向：,先修课程：高等数学、复变函数、信号与系统,课程概况 32学时（含8个上机学时）,考核方法：平时成绩（作业、考勤）占30%考试占70%（闭卷）,后续课程：语音信号数字处理、数字图像处理、数字视频处理 数字信号处理器系统,本课程较难，学习数字信号处理和学习数学一样，没有平坦的大路，唯一办法是仔细研究。如果你理解得比较慢，就将它们多读几遍和多参考资料。如果坚持下去，“失败是不可能的”。,参考书：数字信号处理实验指导书 Sanjit K.Mitra著，孙洪、余翔宇译 电子工业出版社 离散时间信号处理（第2版）A.V.奥本海姆等著，刘树棠、黄建国译 西安交通大学出版社 数字信号处理（原书第2版）Richard G.Lyons著，朱光明等译 机械工业出版社 数字信号处理教程（第二版）程佩青著，清华大学出版社 数字信号处理学习辅导 赵健等编著，清华大学出版社 数字信号处理（全美经典学习指导系列）M.H.海因斯著，张建华等译 科学出版社 数字信号处理教程习题分析与解答(第二版)程佩青著，清华大学出版社,课程概况,课程概况,网络资源：高校精品课程网站，国家级：东南大学 电子科技大学 华南理工大学 武汉理工大学 国防科技大学（信号处理与系统）省级：,一、基本概念 1.信号 2.系统 3.信号处理,第1章 绪论,1、信号 信号：信息的物理表现形式；传递信息的函数 信号的分类：-周期信号/非周期信号-确定信号/随机信号-能量信号/功率信号-连续时间、离散时间信号/模拟、数字信号,第1章 绪论,2、系统 系统：将信号进行处理（或变换）以达到人们要求的各种设备。系统可以是硬件的，也可以是软件编程实现的。系统的分类（按所处理的信号种类不同分类）：-连续时间信号系统-离散时间信号系统-模拟信号系统-数字信号系统,第1章 绪论,3、信号处理 信号处理的分类：,-模拟信号处理,-数字信号处理,第1章 绪论,模拟信号处理是传统的信号处理手段，它采用模拟设备对模拟信号进行处理。由于模拟系统的局限性，系统性能不能达到很高，也不能进行复杂的信号处理任务。数字信号处理系统具有很多优点，可以完成复杂的处理任务，在很多场合正逐步取代传统的模拟信号处理。,二、数字信号处理的基本概念,第1章 绪论,在如图所示的处理系统中，H(z)是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述x(n),y(n)和H(z)特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程,模拟信号,第1章 绪论,在如图所示的处理系统中，H(z)是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述x(n),y(n)和H(z)特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程,前置模拟低通滤波器。它的作用是对模拟信号xa(t)进行预处理，改善信号的带限性能，有利于后续的采样，具有抗混叠作用。,第1章 绪论,在如图所示的处理系统中，H(z)是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述x(n),y(n)和H(z)特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程,滤波后的模拟信号,第1章 绪论,在如图所示的处理系统中，H(z)是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述x(n),y(n)和H(z)特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程,采样的作用是对x(t)进行自变量t 的离散化。,第1章 绪论,在如图所示的处理系统中，H(z)是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述x(n),y(n)和H(z)特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程,T为均匀采样间隔,第1章 绪论,在如图所示的处理系统中，H(z)是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述x(n),y(n)和H(z)特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程,ADC是模数转换器，是对采样后的信号进行幅度二进制量化，使信号变成离散的二进制数x(n)。,第1章 绪论,在如图所示的处理系统中，H(z)是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述x(n),y(n)和H(z)特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程,H(z)表示一个DSP系统，完成对x(n)的处理。,第1章 绪论,在如图所示的处理系统中，H(z)是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述x(n),y(n)和H(z)特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程,DAC是数模转换器，它把处理后的数字信号y(n)转换成模拟信号y(t)。,第1章 绪论,在如图所示的处理系统中，H(z)是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述x(n),y(n)和H(z)特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程,Hr(s)表示一个模拟低通滤波器，它的作用是平滑DAC的输出，滤除DAC引起的高频噪声。,第1章 绪论,在如图所示的处理系统中，H(z)是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述x(n),y(n)和H(z)特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程,第1章 绪论,数字信号处理的特点：精度高灵活性好可靠性高便于大规模集成复用性强多维处理,第1章 绪论,1精度高 DSP系统的精度主要取决于数字器件 的精度,具体就是字长，字长越长，精度 越高。在很多精密的处理和测量系统中，必须采用数字信号处理技术，否则就无法 达到所需的精度和性能要求。另外，有些性能DSP系统很容易实现，而使用模拟系统实现却相当困难。,第1章 绪论,2灵活性好 用DSP系统完成一个信号处理功能时，可以通过软件方便地调整和改变系统的性能，控制整个系统的运行状态，体现了系统的可编程性。另外，可以在实验室对系统的参数进行硬件和软件仿真模拟，以估计整个系统的质量。,第1章 绪论,3可靠性高 DSP系统大多是由CPU、存储器和I/O接口器件等数字集成电路器件构成，受环境因素的影响相对模拟器件要小得多，可编程系统还可以采用许多抗干扰方法，大大提高了系统的可靠性。,第1章 绪论,4便于大规模集成 DSP系统主要由中大规模集成电路等器 件构成，便于大规模集成和生产，可大大降 低生产成本，特别是在处理极低频率的信号 时，体积重量不受影响，比模拟系统要优越 许多。,第1章 绪论,5复用性强 利用一套DSP系统可以同时处理多路数 字信号，因为数字信号的各采样点之间有一 定的采样间隔，在这个间隔里可以同时处理 几路信号。另外，在级联DSP系统中，为节省成本，可以使用一个低阶环节分时执行，来完成总系统的任务。这都属于一种时分复用的结构。,第1章 绪论,6多维处理 DSP系统可以配备大容量的外部存储器，可以将多帧图像或多路传感器信号存储起来，实现二维或多维信号的处理。例如：激光影碟机、医用CT等图像处理设备就是依靠DSP系统完成了复杂图像编码、压缩和解码以及扫描成像等处理。,第1章 绪论,第1章 绪论,三、数字信号处理的发展史,理论、快速算法,傅立叶,拉普拉斯,图基,认识一位巨人的研究方法，对于科学的进步，并不比发现本身更少用处。科学研究的方法经常是极富兴趣的部分。,第1章 绪论,电子管、晶体管、集成电路、大规模 集成电路 DSP器件,DSP技术的应用,四、数字信号处理的应用,数字信号处理技术的应用，目前正以惊人的速度向前发展，毫无停滞的迹象。随着数字器件的成本降低、体积缩小及运算速度的提高，特别是高速A/D器件和高速DSP芯片的广泛使用，使得它的应用前景更加广阔。,第1章 绪论,数字信号处理的典型应用：通用DSP：数字滤波、卷积、相关、希尔伯特变换、FFT、信号发生器等；语音：语音通信、语音编码、识别、合成、增强、文字语音自动翻译等；图像图形：机器人视觉，图像传输/压缩，图像识别、增强和恢复、断层扫描成像等；控制：磁盘控制器、机器人控制、激光打印机、电机控制、卡尔曼滤波等；,第1章 绪论,军事：雷达、保密通信、声纳、导航、导弹制导、传感器融合等；电讯/通信：回声抵消、调制解调器、蜂窝电话、个人通信、视频会议、自适应均衡、编码/译码、GPS等；汽车：自动驾驶控制、故障分析、导航、汽车音响等；消费：数字音响/电视、MP3播放器、数码相机、音乐综合器等。,第1章 绪论,五、数字信号处理的研究内容,数字信号处理的研究内容一般可以分为3大类：一维DSP，多维DSP和DSP系统实现。一维DSP主要研究一维离散时间信号和系统，是数字信号处理最重要、最基本的研究内容。多维DSP主要研究二维图像、阵列传感器离散信号和系统，属较深的研究内容。第3类研究内容属应用。,第1章 绪论,DSP的理论主要包括：（1）模拟信号的采样（A/D变换、采样理论、量化噪声分析等）；（2）离散信号分析（时域及频域分析、傅里叶变换、Z变换、希尔伯特变换等）；（3）离散系统分析与综合（离散系统描述、因果及稳定性、线性非时变系统、卷积、系统频率响应、系统函数、数字滤波器设计等）；（4）信号处理的快速算法（FFT、快速卷积与相关）；（5）信号处理的特殊算法（抽取、插值、奇异值分解、反卷积、投影与重建等）。,第1章 绪论,（1）在通用计算机上用软件实现。软件采用高级语言编写，也可利用商品化的各种DSP软件（MATLAB、SYSTEMVIEW等）。这种实现方法简单、灵活，但实时性差，很少用于实时系统，主要用于教学或科研的前期研制阶段。,DSP系统的实现方法：,第1章 绪论,（2）用普通单片微控制器（MCU）实现。单片机技术发展很快，功能越来越强，可以用来做一些简单信号处理，但不能用于复杂的信号处理，可以用于比较简单的控制场合，如小型嵌入系统、仪表等。（3）用通用DSP芯片实现。DSP芯片有着MCU无法比拟的突出优点：内部硬件乘法器、流水线和多总线结构、专用DSP处理指令，具有很高的处理速度和复杂灵活的处理功能。,第1章 绪论,（4）用专用DSP芯片实现。市场推出的一些 有特殊用途的DSP芯片可专门用于FFT、FIR 滤波、卷积和相关等处理，其软件算法已固 化在芯片内部，使用非常方便。这种实现方 式比通用DSP速度更高，但功能比较单一，灵活性不如通用DSP好。,第1章 绪论,本章要点,本章主要介绍了数字信号处理的基本概 念、特点、研究内容、应用以及学习方法等。数字信号处理的研究内容和理论体系有其自身的特点与规律，因此应按照它本身的规律来学习和研究，而不应当把它看成是模拟信号处理的一种近似。学习数字信号处理，要以系统为中心，要正确建立DSP的系统概念。,To be continued,
