数字信号处理崔第三版第0章绪论.ppt

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1、绪论,崔东艳 讲师河北联合大学信息工程学院通信工程系,课程介绍,适用专业：通信类专业1 课程性质2 本课程使用的教材及参考书目3 课程内容4 本课程的考核方式,绪论,一 数字信号处理的基本概念二 数字信号处理的学科概貌 三 数字信号处理系统的基本组成四 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领域,1课程性质,数字信号处理是从20世纪60年代以来，随着信息技术和计算机技术的高速发展而迅速发展起来的一门学科。该学科一经产生就迅速渗透到各个领域。数字信号处理是应用计算机或通用数字信号处理设备将信号在数字域中计算处理（如滤波、变换、压缩、估计等），从而达到一定应用目的的一门

2、学科。在过去的数十年中，数字信号处理的领域，无论理论上还是技术上都有非常重要的发展。由于在工业上开发和利用廉价的硬件和软件，使不同领域的新工艺和新应用现在都想利用DSP算法，使它成为本科教学内容，这就是我们为何要上数字信号处理这门课的原因。,返回,2 本课程使用的教材及参考书目,返回,数字信号处理（第三版）高西全 丁玉美 编著 西安电子科技大学出版社,2 本课程使用的教材及参考书目,经典的：1.，“Digital Signal Processing”,1975.中译本有多种2.,“Digital Signal Processing”,1975.中译本常迥译1979.3.黄顺吉等，数字信号处理及

3、其应用,国防 工业出版社，19824.邹理和，吴北熊等，,数字信号处理,上、下册,国防工业出版社,1985.5.何振亚，数字信号处理的理论与应用，上、下册，人民邮电出版社，1985.,返回,2 本课程使用的教材及参考书目,6.胡广书，数字信号处理-理论 算法与实现 清华大学出版社，1997.7.张贸达，现代信号处理，清华大学 1996.8.王宏禹，随机数字信号处理，国防工业出版社，1994.9.程乾生，信号数字处理的数学原理，石油工业出版社（第2版），1993.,返回,2 本课程使用的教材及参考书目,较新的：10.吴镇扬，数字信号的原理与实现，东 南大 学，1997.11.赵尔沅等，数字信号处

4、理实用教程，人民邮 电，1999.12.姚天任等，现代数字信号处理，华中理工，1999.13.丁玉美等，数字信号处理，西安电子科大，（第2版），2001.14.A.V.奥本海姆，R.W.谢弗著，黄建国等译，离散时间信号处理，科学出版社，2000.,返回,2 本课程使用的教材及参考书目,英文原版：15,Introduction to signal processing,Copyright 1996 by Prentice Hell Comp.16 S.K.Mitra,Digital signal processing a computer-based approach,second editio

5、n,Copyright 2001 byMcGraw-Hill Comp.,返回,3 课程内容,绪论第一章 时域离散信号和时域离散系统第二章 时域离散信号和系统的频域分析第三章 离散傅立叶变换（DFT）第四章 快速傅立叶变换（FFT）第五章 时域离散系统的网络结构第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计第七章 有限脉冲响应数字滤波器的设计第八章 多采样率数字信号处理第九章 数字信号处理的实现第十章 上机实验,返回,4 本课程的考核方式,闭卷考试,返回,一 数字信号处理的基本概念,1.信号2.信号与信息的关系3.信号的最基本的参数4.信号分类5.系统6.数字信号处理,返回,一 数字信号处理的基本概念,

6、数字信号处理(DSP)(Digital Signal Processing）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。,返回,一 数字信号处理的基本概念,1.信号(复习)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

7、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),返回,一 数字信号处理的基本概念,2信号与信息的关系：信息是信号的内容，信号是信息的形式，是魂与体的关系。同一信息可以由不同的信号表达，同一信号可以表达不同的信息。信息是特有的、固定的，彼此有联系（没有孤立的事物）信号是变化的，不同的组合表达不同的信息。例如：红绿灯是信号，表达的信息是“红灯停，绿灯行”，语音是信号，不同的语音表达不同的信息，有限个语音通过时间上的不同组合，可以表达大量的信息。,返回,一 数字信号处理的基本概念,3.

8、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)30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)3003000kHz:Medium frequency(调幅广播)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)30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM，VHF电视)0.33GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信)频率低20Hz范围，称为次声波，它不能被听到，当强度

9、足够大，能被感觉到。(处于VLF Very low frequency)频率20Hz20KHz称为声波，Low frequency(处于LF)频率20KHz称为超声波，具有方向性，可以成束(处于LF),返回,一 数字信号处理的基本概念,4 信号的分类依载体：电信号、磁信号、声信号、光信号、热信号、机械信号。依变量个数：一维、二维、多维（矢量）信号。依周期性：周期信号x(t)=x(t+kT);非周期信号。依是否为确定函数：确定信号；随机信号。依能量或功率是否有限：能量信号；功率信号。,返回,一 数字信号处理的基本概念,(1)确定性信号和随机信号确定性信号：它的每一个值可以用有限个参量来唯一地加以

10、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：不能用有限的参量加以描述。也无法对它的未来值确定地参预测。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。,返回,一 数字信号处理的基本概念,(2)周期信号和非周期信号周期信号：指依一定的时间间隔，周而复始，无始无终的信号。一般表示为：f(t)=f(t+nT)n=0,+1,.其中，T为最小重复时间间隔，也称周期。非周期信号

11、：不满足上式关系的信号。(3)能量信号和功率信号能量信号：功率信号：,返回,一 数字信号处理的基本概念,(4)连续时间信号/离散时间信号/数字信号,返回,一 数字信号处理的基本概念,5.系统（1）定义：系统是将信号进行处理（或变换）以达到人们要求的各种设备。系统可以是硬件的，也可以使软件编程实现的。（2）系统的分类：按对象分类：连续时间信号系统/离散时间信号系统/数字信号系统按性质分类：线性系统/非线性系统时变系统/时不变系统因果系统/非因果系统稳定系统/不稳定系统,返回,一 数字信号处理的基本概念,6.数字信号处理 通俗地讲，处理就是加工，因数字信号常表示成序列，加工实际上就是相加、相乘和位

12、移。信号处理是研究用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。针对处理的信号的种类的不同，数字信号处理可分为：模拟信号处理/数字信号处理,返回,一 数字信号处理的基本概念,模拟信号处理：以前多数科学和工程遇到的是模拟信号，因此研究较多的是模拟信号处理的理论和实现是通过一些模拟器件，例如晶体管、电阻、电容、电感等，完成对信号的处理。例如下图所示，是一个简单的模拟高通滤波器，它是由电阻R和电容C组成的。缺点：难以做到高精度，受环境影响大，可靠性差，不灵活。,返回,一 数字信号处理的基本概念,数字信号处理：随着集成电路技术和数字计算机的发展，以

13、及60年代以来，数字信号处理理论的成熟和完善，数字信号处理逐渐取代了模拟信号处理。数字信号处理是采用数值计算的方法对信号进行处理，这里处理的实质是运算。例如，下图是一个简单的数字高通滤波器，它是由一个加法器、一个乘法器合一个延时器组成的。上面二者都是高通滤波器，实现的功能是等价的，只是一个是由模拟器件完成，一个是数字运算单元完成。,返回,二 数字信号处理的学科概貌,1.数字信号处理开端 2.数字信号处理领域的理论基础3.“数字信号处理”又成为一些学科的理论基础4.信号处理的任务5.数字信号处理基本学科分支6.研究内容,返回,二 数字信号处理的学科概貌,1.数字信号处理开端在国际上一般把1965

14、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。1965年，库利（cooley）和图基（tukey）在“计算数学”（“Mathematics of Computation”）上发表“用机器计算傅里叶级数的一种算法”。即“快速傅里叶变换算法”。大规模集成电路使计算速度空前提高。DSP被广泛应用，称为新兴学科。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。,返回,二 数字信号处理的学科概貌,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

15、：离散线性变换(LSI)系统理论，离散付里叶变换(DFT)。,返回,二 数字信号处理的学科概貌,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。,返回,二 数字信号处理的学科概貌,4.信号处理的任务：去伪存真、滤波（去除噪声和冗余信号）特征提取：时域统计分析、频谱分析（相关谱、功率谱、倒谱）、时频分析（小波）编码解码：“通讯”。,返回,二 数字信号处理的学科概貌,5.数字信号处理基本学科分支数字信号滤波 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

16、IIR滤波器数字信号频谱分析FFT进行谱分析 统计频谱分析,返回,二 数字信号处理的学科概貌,6.研究内容1）.信号的采集 实现信号的数字化，包括取样、量化。2）.信号的分析 信号描述与运算，各种变换，时、频域分析。3）.系统分析 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。4）.快速算法 FFT,WFT,快速卷积、相关算法。5）.数字滤波技术(1)IIR数字滤波器的分析与设计；(2)FIR数字滤波器的分析与设计。,返回,二 数字信号处理的学科概貌,6）.信号的频谱分析与估值 确定信号：谱分析；随机信号：相关计算、谱估计。7）.特殊算法 反卷积

17、，信号重构。8）.数字信号处理的实现(1)在通用微机上，用软件实现;(2)用单片机实现;(3)专用数字信号处理芯片DSP。,返回,三 数字信号处理系统的基本组成,1 系统组成框图,返回,三 数字信号处理系统的基本组成,2 各部分作用(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。,返回,三 数字信号处理系统的基本组成,(2)A/D变换器由模拟信号产生一个二进制流。在A/D变换器中每隔T秒(抽样周期)取出一次xa(t)的幅度，抽样后的信号称为离散信号。,返回,三 数字信号处理系统的基本组成,(3)数字信号处理器(DSP)按照预定要求，在处理器中

18、将信号序列x(n)进行加工处理得到输出信号y(n).数字信号处理器：,y(n),0,1,2,3,4,n,返回,三 数字信号处理系统的基本组成,(4)D/A变换器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。(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).D/A变换器：模拟滤波器：,返回,四 数字信号处理的实现方法,1软件实现法2硬件实现法3DSP芯片法,返回,四 数字信号处理的实现方法,1软件实现法：软件实现方法指的是按照原理和算法，自己编写程序或者采用现成的程序在通用计算机上实现。具体环节：采用大、中小型计算机和微机工作站和微机

19、上各厂家的数字信号软件，如有各种图象压缩和解压软件。特点：可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。只需改变程序中的有关参数就能改变系统的性能。但是运算速度慢，一般达不到实时处理要求，适用于科研和教学。,返回,四 数字信号处理的实现方法,2硬件实现法：硬件实现方法指的是按照具体的要求和算法，设计硬件结构图，用乘法器、加法器、延时器、控制器、存储器以及输入输出接口部件实现的一种方法。特点：运算速度很快，可以达到实时处理的要求，但是它很不灵活。它要改变系统的性能的话，需要重新设计，不像软件法只要改变系统中的参数就可以了。,返回,四 数字信号处理的实现方法,3DSP芯片法DSP芯片法是目前发展最快

20、，应用最广的一种方法。DSP芯片法结合数字信号处理的特点，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，是一类可实现高速运算的微处理器。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系列特点：DSP芯片法既具有软件的灵活性，又具有硬件的实时性，可以说，用DSP芯片实现数字信号处理，正在变成或已经变成工程技术领域中的主要方法。,返回,四 数字信号处理的实现,

21、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。,返回,五 数字信号处理的特点,1 本课程的特点 1）数学工具多 微积分，概率统计，随机过程，高等代数，数值分析，积分变换，复变函数等。2）要求基础强 网络理论、信号与系统是本课程的理论基础。3）与其它学科密切相连 与最优控制、通信理论、故障诊断、计算机、微电子技术不可分，

22、又是人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科的理论基础之一。,返回,五 数字信号处理的特点,2与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有如下特点：1）高灵活性2）精度高3）高稳定性4）便于大规模集成5）对数字信号可以存储、运算，系统可以获得高性能指标。,返回,六 数字信号处理的应用领域,一、信号分析任务：涉及信号特性的测量。它通常是一个频域的运算。主要应用于：谱(频率和/或相位)分析语音分析说话人识别目标检测,返回,六 数字信号处理的应用领域,二、信号滤波任务：是信号入-信号出的情况。实现这个任务的系统被称为滤波器。它通常(但不总是)作时域运算。主要应用于：滤除不需要的背景噪声，去除干扰频带分割，信

23、号谱的成形所以它广泛地应用于数字通信，雷达，遥感，声纳，语音合成，图象处理，测量与控制，高清晰度电视，多媒体物理学，生物医学，机器人等。,返回,六 数字信号处理的应用领域,三、DSP的典型应用1）.网络2）.无线通信3）.家电4）.另外还有虚拟现实，噪声对消技术，电机控制，图像处理等等可以说DSP是现代信息产业的重要基石，它在网络时代的地位与CPU在PC时代的地位是一样的。,返回,六 数字信号处理的应用领域,四、举例1.语音处理它是最早采用数字信号处理技术的领域之一。本世纪50年代提出语音形成数字模型，经过十多年对语音的分析、综合、证明是正确的。在语音领域现存在着三种系统：语音分析系统：(自动

24、语音识别系统，它能识别语音，辨认说话的人是谁，而且破译后，能立即作出决断。语音综合系统：盲人的自动阅读机，声音响应的计算机终端，会说话玩具，家用电器(CD,VCD,DVD)。语音分析综合系统：语音存储和检索系统。即广泛应用于电话窃听。即应用于语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人确认、语音邮件、语音存储等。,返回,六 数字信号处理的应用领域,2.图像处理数字信号处理技术成功应用的图像处理方法有：数据压缩图像复原清晰化与增强由于单个数字图像以1兆个采样值的量级表示，所以要求高性能的处理机、高密度的数据存储器。即要求高速度硬件。,返回,六 数字信号处理的应用领域,3.雷达在军事上，雷达、计

25、算机、射击武器等组成一个自动控制系统。当目标进入雷达的作用半径以内并被雷达自动跟踪时，雷达就测量出目标的当前位置(距离、方位角和高低角)，并把数据送入计算机，推算出目标的航向，航速，引导导弹或自动火炮去击中目标(爱国者导弹对飞毛腿导弹)。雷达系统是应用高性能数字信号处理技术的一个例子。雷达系统主要信号处理功能包括：信号产生、匹配滤波、门限比较、目标参数(如射程、方位和速度)估计。,返回,六 数字信号处理的应用领域,4.通信整个通信领域几乎没有不受数字信号处理技术影响的地方。数字技术已用于信号的调制、解调、滤波、混频、检波和多路传输等问题中。语音数据压缩与解压是数字信号处理的重要内容。在电信领域

26、，数字处理技术已发展到音调检测，回波清除、数字开关网和自适应均衡、数据加密、数据压缩、可视电话等。许多音频通信的信号处理功能，已由单块集成电路实现。,返回,六 数字信号处理的应用领域,5.电话、电报下面介绍它们在通讯中的应用大家知道，脉冲编码调制通讯（简称PCM）的主要有的是抗干扰性强。但是，要对语音信号进行脉冲编码传输，起码要有64千比特/秒。为了提高信道的利用率，必须压缩语音数码率。语音压缩编码的方法很多，如自适应差分脉调制（ADPCM），32千比特/秒的数码率达到了长途电话的质量标准，且复杂程度较低，1988年被CCITT（国际电报电话咨询委员会）建议为长途传输中的一种新型国际通用语音编

27、码方法。,返回,六 数字信号处理的应用领域,6.扩频通信与数据压缩相反的数据扩张，也是很有用的技术。它的根据是仙农编码定理：在一定的条件下，只要码的长度充分大时，一定存在一种编码、译码方法，使错误译码率充分小。近年来，在国防上实现发射功率隐蔽与抗电子干扰，采用了数据扩张技术，用300千比特/秒的数码率传送64千比特/秒的语音，可以使敌方对此信号难以侦察或干扰。,返回,六 数字信号处理的应用领域,7.移动通信现代通信系统是信息时代的生命线。最近几年，电信业在我国发展很快，安装电话的用户与日俱增，移动通信已开始全国联网。现在，世界性的全球通讯网连接着6亿个以上的电话，还提供大量的用户电报以及数据通

28、信业务。到本世纪末，通讯将超过能源、汽车、钢铁、交通和农业，成为世界上最大的行业。,返回,六 数字信号处理的应用领域,8.其他生物医学信号处理CT/CATCT：计算机X射线断层摄影装置。其中头颅CT英国EMI公司豪斯菲尔德获诺贝尔奖。CAT:计算机X射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建。嵌入式电子系统,返回,手机通信,返回,多媒体通信,返回,可编程交换设备,返回,ADSL 异步数据用户线,返回,软件无线电,Low NoiseAmplifier,返回,数码相机,返回,数码相机,返回,HDTV（高清晰度电视）,返回,PDP TV(等离子电视机),返回,家庭影院,返回,杜比数字音频系统（AC-3）,SPDIF:SONY、PHILIPS数字音频接口,返回,DVD 数字视频光盘,返回,SET-TOP-BOX 机顶盒,返回,飞行仿真器,返回,GPS 全球定位系统,返回,雷达/声纳,返回,巡航导弹,返回,智能炸弹,返回,模式识别,返回,指纹鉴别,Many More,返回,谢谢观看,