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EE141©电子信息科学概论MTI©2011AifengRen电子信息科学概论11任爱锋电子工程学院E-mail:afren@mail.xidian.edu.cnOffice:新科技楼A901Phone:88202830-607Mobile:13384919599EE141©2011AifengRen电子信息科学概论2©电子信息科学概论MTI2Unit9数字信号和信号处理DigitalSignalsandSignalProcessing•Unit9-1数字信号处理DigitalSignalProcessingEnjoyScience3数字信号处理杨毅明数字信号处理介绍的是:如何将事物的运动变为一串数字,并用计算的方法从中提取有用信息,满足实际应用的需求。人类的进步在于:能让机器完成的事就让机器做。数字信号处理杨毅明EnjoyScience数字信号处理在处理语音信号时:将连续变化的声波变为连续变化的信号x(t),经模数转换器变为二进制的信号x(n),数字信号处理器计算x(n)的平均值(计算方法由编程者定),计算结果y(n)经数模转换器变为连续变化的信号y(t)。数字信号处理就是用计算机处理信号,其优点是精度高、变换灵活、性能稳定、效率高、成本低、功能强大,对此模拟信号处理望尘莫及。数字信号处理的应用小到电子、大到天文地理,涉及通信、电子仪器、自动控制、语音、声音、图形、图像、军事、工业、生物医学、社会管理、金融证券、地球物理、航海、航空航天、家用电器、广播电视等领域。数字信号处理是信息技术产业的重要基础。例如,正弦波用幅度、频率和初相位三个参数就可描述,在对信号第1章)211sin()16sin()2sin(2)(ttttv简单介绍数字信号处理杨毅明EnjoyScience进行通信时,最节省资源的方法是:传输它的九个参数。否则,需要传输的数字将多之又多。如何有效地让机器知道这九个参数,这就是数字信号处理要研究的。又如,一张磁悬浮列车车厢的照片(左图),由于保存不慎,年久发霉(中图),手工除霉、临摹、重新拍照都不是修复的最好办法。数字信号处理杨毅明EnjoyScience若将照片看作许多小点组成,对发霉照片的小点进行计算,产生新的小点,它们就可构造一张新照片(右图)。计算的方法有平均法、中值法等。中值法是:对每个小点及周围部分点的数值按大小排列,取其中间值作为新小点的值。数字信号处理从两个角度看问题:1、从时间顺序看问题,把比较两段信号的相似程度变为相关系数、相关函数,把处理信号的系统看作单位脉冲响应,用卷积处理信号。2、从物质成分看问题,将一段信号看作若干正弦波成分组成,这种方法叫傅里叶变换或频谱。从频谱的意义看,处理信号就是筛选正弦波。根据相关函数、卷积或频谱等方法加工模拟信号,需要设计方法,更需要讲求技巧。首先要把模拟信号变为数字信号。模拟信号变为数字信号时,数字可多也可少。多的数字有无穷多,这么做是蛮干;少的数字才叫聪明,但不能太少。采样定理会告诉我们,最少的数字是多少。频谱分析的基本公式很复杂,有的地方用z变换取代它,可以第2章第3章第4章数字信号处理杨毅明EnjoyScience带来意外的惊喜。傅里叶变换是频谱分析的理想公式,稍作修改就可得到实用的离散傅里叶变换。离散傅里叶变换虽有实用意义,不过需要数字计算才能实现;若直接按定义计算,需要很多加法和乘法。快速傅里叶变换能上百倍地减少离散傅里叶变换的计算量。这为数字信号处理从理论走向应用铺平了道路。从信号中提取有用内容,就像从众多正弦波中取出有用成分,专业上称这种做法为滤波。滤波的系统称为数字滤波器,从信号流动来分,它有两种结构:无限脉冲响应滤波器,有限脉冲响应滤波器。设计滤波器就像设计如何从众多求职者中招聘对路的人才,这里面也是需要技巧的。设计无限脉冲响应滤波器,第5章第6章第7章数字信号处理杨毅明EnjoyScience可先设计模拟滤波器,然后用数学公式转变为数字滤波器;也可用z变换的零极点图来设计,或以理想滤波器和实际滤波器的误差为标准进行设计。设计有限脉冲响应滤波器,可从无穷长的序列中截取一段获得,也可对标准滤波器的频谱采样获得,还可根据理想滤波器和实际滤波器的误差来设计。数字信号的数字越多,越能贴近它所表示的真实信号,但也带来了存储量和计算量越大的问题。提高效率的方法就是在不同的场合使用不同的采样率。转换采样率也有诀窍,叫做抽取和内插。把数字信号处理付诸应用,可采用通用计算机,或专用集成电路、可编程集成电路。不过事先要考虑成本,这就要考虑实际的计算速度和数字精度。第8章第9章第10章EE141©2011AifengRen电子信息科学概论9©电子信息科学概论MTI9NewWordsEE141©2011AifengRen电子信息科学概论10©电子信息科学概论MTI10EE141©2011AifengRen电子信息科学概论11©电子信息科学概论MTI11EE141©2011AifengRen电子信息科学概论12©电子信息科学概论MTI12Unit9数字信号和信号处理DigitalSignalsandSignalProcessing•Unit9-2数字信号处理的基本概念GeneralConceptsofDigitalSignalProcessingEE141©2011AifengRen电子信息科学概论13©电子信息科学概论MTI13special-purpose专用terminology术语sinusoidal正弦的context上下文,背景casually随便地rigid坚硬的,刚性的pursue追求,从事excitation激励differentialequation微分方程differenceequation差分方程time-invariant时不变的lumpedsystem集总系统increment增量presampling预采样waveform波形strategy策略multiplex复用dynamicrange动态范围compatible兼容subtraction减法NewWords1414NewWordsmultiplication乘法reconstruction重建holdingcircuit保持电路extrapolate外推interpolate内插curve-fitting曲线拟合prescribed预定的intervene插入,干预intervening期间的bandlimited限带的aliasing混叠erroneous错误的wagon四轮马车spoke轮辐spurious假的,伪造的arbitrarily任意地uncertainty不确定性quantum量子,量化demltiplexer解复用器telemetry遥测151Digitalsignalprocessing(DSP)isthestudyofsignalsinadigitalrepresentationandtheprocessingmethodsofthesesignals.DSPandanalogsignalprocessingaresub-fieldsofsignalprocessing.DSPincludessub-fieldslikeaudioandspeechsignalprocessing,sonarandradarsignalprocessing,sensorarrayprocessing,spectralestimation,statisticalsignalprocessing,imageprocessing,signalprocessingforcommunications,biomedicalsignalprocessing,etc.数字信号处理(DSP)是研究数字表示的信号以及这些信号的处理方法。数字信号处理和模拟信号处理是信号处理的子领域。数字信号处理包括音频及语音信号处理、声纳和雷达信号处理、传感器阵列处理、谱估计、统计信号处理、图像处理、通信信号处理、生物医学信号处理等子领域。162SincethegoalofDSPisusuallytomeasureorfiltercontinuousreal-worldanalogsignals,thefirststepisusuallytoconvertthesignalfromananalogtoadigitalform,byusingananalogtodigitalconverter.Often,therequiredoutputsignalisanotheranalogoutputsignal,whichrequiresadigitaltoanalogconverter.数字信号处理的目标通常是测量连续的真实世界的模拟信号或对其滤波,因此,第一步常常是使用模数转换器将信号从模拟形式转换成数字形式。通常,要求的输出信号为另一个模拟输出信号,这就需要数模转换器。173ThealgorithmsrequiredforDSParesometimesperformedusingspecializedcomputers,whichmakeuseofspecializedmicroprocessorscalleddigitalsignalprocessors(alsoabbreviatedDSP).Theseprocesssignalsinrealtime,andaregenerallypurpose-designedapplication-specificintegratedcircuits(ASICs).1数字信号处理的算法有时通过使用专用计算机来实现,它们(专用计算机)利用被称为数字信号处理器的专用微处理器(简称DSP)。这些数字信号处理器实时处理信号,通常是针对具体目的而设计的专用集成电路(ASIC)。183Whenflexibilityandrapiddevelopmentaremoreimportantthanunitcostsathighvolume,DSPalgorithmsmayalsobeimplementedusingfield-programmablegatearrays(FPGAs).2当灵活性和快速开发比大批量生产的成本更重要时,DSP算法也可以用现场可编程门阵列来实现。194DSPdomainsInDSP,engineersusuallystudydigitalsignalsinoneofthefollowingdomains:timedomain(one-dimensionalsignals),spatialdomain(multidimensionalsignals),frequencydomain,autocorrelationdomain,andwaveletdomains.Theychoosethedomaininwhichtoprocessasignalbymakinganinformedguess(orbytryingdifferentpossibilities)astowhichdomainbestrepresentstheessentialcharacteristicsofthesignal.3在数字信号处理中,工程师通常在下面几个域的一个域中来研究数字信号:时域(一维信号),空域(多维信号),频域,自相关域以及小波域。他们按照某些依据来猜测(或试验不同的可能性)那一个域能够最好地表示信号的本质特性来选择在其中进行信号处理的域。204Asequenceofsamplesfromameasuringdeviceproducesatimeorspatialdomainrepresentation,whereasadiscreteFouriertransformproducesthefrequencydomaininformation,thatis,thefrequencyspectrum.4Autocorrelationisdefinedas
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