数字信号处理教案(第1次课)

一、课程简介（一）教学目的及要求本课程是电子信息类专业重要的学科基础课。学生通过本课程的学习，应能比较系统地掌握数字信号处理的基本原理、方法和实现，为进一步使用该技术打下理论和实践的基础。专业工作需要的理论和技术。通信与信号处理方向考研课程。学生通过本课程的学习，应能比较系统地掌握数字信号处理的基本原理、方法和实现；初步学会应用数字信号处理的两个主要工具——快速傅立叶变换和数字滤波；初步掌握数字信号处理器的开发技术。（二）课程内容1、绪论介绍数字信号处理的特点，与传统的模拟技术相比存在哪些特点。数字信号处理的应用领域。它的发展概况和发展趋势。2、离散信号与系统复习信号与系统的知识，并通过习题训练加强离散信号与系统的基本概念。3、离散变换及其快速算法离散傅里叶变换物理意义及特性。快速傅里叶变换的基本算法。Chirp-Z变换的物理意义及算法实现。FFT在分段卷积，二维DFT的应用。该章学习将使学生对DFT、离散信号的傅氏变换及Z变换能有机地联系起来，并对基2FFT比较熟悉。4、IIR滤波器设计脉冲响应不变法与双线性变换法。了解几种主要模拟滤波器的特性及设计方法以及怎样由模拟原型滤波器变换成相应的数字滤波器。在对全通数字网络了解的基础上，掌握数字域的变换方法。5、FIR滤波器的设计线性相位FIR滤波器的特点。在对矩形窗的特点比较深入了解的基础上，讨论如何改进窗函数。频率采样法重点在如何由线性相位条件决定采样值。优化设计在了解原理的基础上重点掌握如何用优化设计程序设计FIR滤波器。6、数字滤波器的实现了解同一传递函数可用不同的运算结构实现，以及这些结构在性能上的特点。有限字长运算的影响主要分析定点乘法运算舍入的影响，系数量化主要了解极点灵敏度的概念。对大信号和小信号极限环振荡产生的机理及解决的方法也应了解。对DSP硬件建立感性认识,了解数字信号处理器结构和指令系统的主要特点。二、绪论1信号与数字信号处理2为什么要采用数字信号处理3数字信号处理的发展和应用4课程的主要内容历史沿革由于超大规模集成电路的出现，数字信号处理在理论和应用方面有了惊人的发展，在越来越多的应用领域中迅速替代传统的模拟信号处理方法，并且还开辟出许多新的应用领域。今天，数字信号处理随处可见，各种数字信号处理系统，从CD唱盘机、PC机中的声卡到数字化影象、数码照相机甚至手持电话等等。数字信号处理是用数字或符号的序列来表示信号，通过数字计算机去处理这些序列，提取其中的有用信息。例如，对信号的滤波，增强信号的有用分量，削弱无用分量；或是估计信号的某些特征参数等。总之，凡是用数字方式对信号进行滤波、变换、增强、压缩、估计和识别等都是数字信号处理的研究对象。1.信号与数字信号处理(1)连续信号时间上连续，幅度可连续也可不连续。在某个时间区间，除有限间断点外所有瞬时均有确定值。(2)模拟信号时间和幅度均连续。(3)离散信号时间上不连续，幅度可连续也可不连续。(4)数字信号时间和幅度均不连续，幅度量化。A/D转换包括了采样、量化、编码等过程2.为什么要采用数字信号处理采用数字系统完成信号处理的任务，具有数字系统的一些共同优点:抗干扰、可靠性强，便于大规模集成等。另外，与传统的模拟信号处理方法相比较，还具有一些明显的优点：(1)精度高模拟电路：元器件精度难以达到10-3以上数字系统：17位字长可以达到10-5的精度，基于离散傅里叶变换的数字式频谱分析仪幅值精度和频率分辨率均远远高于模拟频谱分析仪。(2)灵活性强采用专用或通用数字系统，其性能取决于运算程序和乘法器的各系数，这些均存储在数字系统中。只要改变运算程序或系数，即可改变系统的特性参数，比改变模拟系统方便得多。(3)实现模拟系统很难达到的指标FIR可以实现严格的线性相位将信号存储起来，用延迟的方法实现非因果系统，从而提高了系统的性能指标数据压缩可以大大地减少信息传输中的信道容量。(4)实现多维信号处理利用庞大的存储单元，可以存储二维的图像信号或多维的阵列信号实现二维或多维的滤波及谱分析等。数字信号处理系统存在的缺点(1)增加了系统的复杂性需要模拟接口、A/D、D/A、模拟滤波器及复杂的数字系统(2)应用的频率范围受到限制A/D转换的采样频率的限制(3)系统的功率消耗比较大DSP系统中集中了几十万以上的晶体管。3.数字信号处理的发展和应用发展.数字信号处理的发展(1)由简单的运算走向复杂的运算目前几十位乘几十位的全并行乘法器可以在几纳秒的时间内完成一次浮点乘法运算运算速度上和运算精度上均为复杂的数字信号处理算法提供了先决条件模数转换器的采样频率已高达数百兆赫可以将视频甚至更高频率的信号数字化后送入计算机处理高分辨率彩色电视、雷达、石油勘探等多维DSP处理(2)由低频走向高频(3)由一维走向多维各种数字信息系统的应用1全数字电视画中画等数字处理电视机，属于模拟电视机。全数字化电视包括：数字化演播室设备数字化传输设备数字电视接收机。2数字化音响设备应用早期的唱片是根据声音进行模拟振动形成音槽纹道而制成的。录音机是用磁头在磁带上进行模拟信号记录。1982年问世的CD唱盘，是数字技术取代模拟技术的典型产品。CD唱盘只用了5年就淘汰了唱片。3数字手机和基站应用当前数字移动通信有：美国的TDMA(时分多址)欧洲的GSM美、韩的CDMA(码分多址)模拟手机已被淘汰。4数字化的电脑电视和电视电脑应用适应未来家庭网络化和多媒体化的消费潮流。众多厂商推出了信息家庭化产品。电脑电视(PC-TV)是以PC为主流配置又能收看电视的产品。电视电脑(TVB)-电视脑，具有无软件故障、不怕病毒、操作简单、成本较低等优点。5个人数字助理器(PDA)应用各类产品均应具有以下功能：个人信息管理电子邮件、传真接收发送信息检索电子字典、翻译游戏6数字照像机应用美国曾用它通过卫星向地面传送太空照片，以后转为民用。数字照相机：采用光敏半导体器件将光信号经过模数转换数字处理和压缩将图像文件保存在存储器内。7数字视频光盘机应用VCD的记录媒体是只读的CD塑料园盘，以数字的形式记录图像和声音的信号。DVD在性能和技术上都优于VCD。DSP不断开辟新的应用领域应用在机械制造中，基于FFT算法的频谱分析仪用于振动分析和机械故障诊断；医学中使用数字信号处理技术对心电(ECG)和脑电(EEG)等生物电信号作分析和处理；数字音频广播(DAB)广泛地使用了数字信号处理技术。数字信号处理系统的实现软件实现硬件实现片上系统SOC,SystemonaChip数字信号处理的软件实现软件实现是用一台通用的数字计算机运行数字信号处理程序。优点:经济，一机可以多用缺点:处理速度慢通用数字计算机的体系结构并不是为某一种特定算法而设计的。在非实时的应用场合，可以采用软件实现方法。处理混有噪声的录像(音)带，我们可以将图像(声音)信号转换成数字信号并存入计算机，用较长的时间一帧帧地处理这些数据。处理完毕后，再实时地将处理结果还原成一盘清晰的录像(音)带。数字信号处理的硬件实现硬件实现是针对特定的应用目标，经优化，设计一专用的软硬件系统。优点:容易做到实时处理缺点:设备只能专用。SOC-DSPSOC是DSP系统的一个新型的实现方法LSIC的发展使一个复杂DSP系统可以集成在一个芯片上-SOC。包含有:数字和模拟电路ADC/DAC微处理器微控制器数字信号处理器嵌入式软件的设计也被集成到了SOC的设计流程中SOC的设计方法将以组装为基础，采用自上至下的设计方法，在设计过程中大量重复使用自行设计或其他第三方拥有知识产权的IP(IntelligentProperty)模块。要充分考虑：如何合理划分软件和硬件所实现的系统功能如何实现软、硬件之间的信息传递。并行、复用、流水并行：为了完成同一个任务，几个处理器同时工作，使系统能胜任单个处理器所不能完成的任务复用：当一个处理器完成单个任务(比如一个滤波器)有很大的富余量时，可让其完成多个任务流水结构：多处理器完成同一任务，它与并行结构的主要区别在于并行的各个处理器之间数据交换不多，而流水结构数据经一道道“工序”处理。用并行或流水结构，完全取决于数字信号处理的运算结构。MATLABMATLAB:矩阵实验室(MatlabLaboratory)是一种通用的科技计算、图形交互系统和控制系统仿真的程度语言。MATLAB是美国MathWorks公司的应用软件产品。信号处理工具箱(SignalProcessingToolbox)是学习和应用数字信号处理的有力工具。MATLAB是一种交互式的以矩阵为基本数据结构的系统。在生成矩阵对象时，不要求明确的维数说明。所谓交互式，是指MATLAB的草稿纸编程环境。与C语言或FORTRON语言作科学数值计算的程序设计相比较，利用MATLAB可节省大量的编程时间。4.课程的主要内容以确定性信号处理为主。DSP的理论基础：离散线性时不变系统理论和离散傅里叶变换(DFT)。数字信号处理经典内容：数字滤波(DF)快速傅里叶变换(FFT)数字信号处理应用的两大支撑工具：数字信号处理器数字信号处理软件目前DSP研究热点时变非线性系统、非平稳信号、非高斯信号处理方法的发展：自适应滤波离散小波变换阶矩分析盲处理分形混沌理论