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朱德兵地球科学与信息物理学院应用地球物理系[e-mail]13549682731地学楼216#数字信号处理DigitalSignalProcessing(DSP)数字信号处理教材：《数字信号处理教程》程佩青（第二版or第三版）清华大学出版社参考：1.《数字信号处理》程乾生著。北京大学出版社；2.《现代数字信号处理》皇甫堪、陈建文、楼生强编著。电子工业出版社；3.Matlab+数字信号处理相关著作软件平台：Matlab6.0~Matlab7.0补充参考1.《信号与线性系统》，阎鸿森编，西安交通大学出版社；2.《信号与系统》A.VOPPENHEIM著,刘树堂译,西安交通大学出版社教学内容与计划课程性质：地球物理学的一门核心基础课程。课时划分：共48学时考核方式：该课程为闭卷考试方式；平时成绩占30%（课堂考勤、作业）；考试成绩占70%；问题讨论：每次课堂留5~8分钟讨论答疑：地点：地学楼216一、绪论概述信号——数字信号——数字信号处理数字信号特征与处理应用意义分析二、地球物理中的信号和数字信号0.地球物理勘探中的传感器与检波器——模数转换1.波动或振动信号：振动与简谐振动——振动方程2.地球物理中的各种电信号——传感器三、信号与系统0.信号与系统的概念提出1.信号与系统的基础知识2.信号与系统分析的作用教学内容四、数字信号处理理论基础（结合Matlab工具）0.Matlab工具基础1.傅里叶变换与频谱分析2.滤波与褶积3.Z变换与信号滤波（滤波器？）3.小波变换与数字信号处理初步4.非常规数字信号处理（人工神经网络）5.数字图像处理五、数字信号处理在地球物理中的应用（结合Matlab工具）1.常规一维滤波2.二维空间滤波3.时频分析——细节提取（滤波）4.实现分辨率的提升——延长观测时间5.关于伪高频现象与高频增强！基本要求:（1）掌握数字信号处理的基本概念、原理与分析方法；（2）初步认识地球物理勘探中的信号和信号特点，能够应用所学习的原理与方法解决相关数字信号处理问题。学以致用！绪论一、信号1、信号与数字信号2、信号的基本参数3、信号的分类二信号与系统三数字信号处理（DSP）名词：数字信号处理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DigitalSignalProcessor数字信号处理器。广义理解可为DigitalSignalProcessing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。1、信号与数字信号信号：信息的物理表现形式（色、声、震…）传递信息的函数y=x（t）…一维时变信号和多维时-空信号信号的分类系列：-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-连续时间信号/离散时间信号/数字信号应用地球物理原始的信号概念烽火狼烟SOS交通信号直观、抽象——传递信息现代信号数字化——传递复杂信息-便于保存、传递和加工处理数字电视…传感器与物理信号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。真实世界的物理信号---传感器----电信号电信号---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)人工智能的实现传感器信号调理信号记录与分析智能控制程序开关或步进电信号执行动作声、光、电信号2.信号的基本参数——频率、振幅与相位1.声波与特征描述：声波、超声波、次声波2.信号的频率组成：男声、女声……20~20000Hz现实信号的基本参数范围频率和幅度3-30kHz:VerylowfrequencyVLF(潜水艇导航)30-300kHz:LowfrequencyLF(潜水艇通信)300~3000kHz:Mediumfrequency(调幅广播)3-30MHz:Highfrequency(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:VeryHighfrequency(VHF)(调频FM，VHF电视)0.3~3GHz:Ultrahighfrequency(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，当强度足够大，能被感觉到。(处于VLFVerylowfrequency)频率20Hz~20KHz称为声波，Lowfrequency(处于LF)频率20KHz称为超声波，具有方向性，可以成束(处于LF)3.信号的分类连续信号和离散信号模拟信号和数字信号确定性信号和随机信号(1)连续信号和离散信号连续信号：指随时间信号而连续变化的信号。离散信号：只有在离散的时间点有确定的值。它通常都是通过对连续信号采样而得到的。按自变量与函数值的取值形式不同分类：时间幅度连续时间信号连续连续离散时间信号离散连续数字信号离散量化(2)模拟信号和数字信号模拟信号：指幅度连续的信号，通常把时间和幅度上都是连续的信号称之。数字信号：时间和幅度上都是离散的信号。x(t)tx(tn)tnx(n)n采样模数保持转换(3)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。二信号与系统信号利用（1）模拟信号：各种信号调理电路（2）数字信号：分析噪声特点并压制噪声信号与系统的初步概念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（模拟信号系统）-离散时间信号系统-数字信号系统处理或变换X(t)y(t)三数字信号处理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。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)。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。信号处理的分类：-模拟信号处理CRxa(t)ya(t)延时x(n)y(n)a-数字信号处理（实质：数值运算）3.DSP系统的基本组成和实现方法DSP系统的基本组成前置预滤波器A/D转换器数字信号处理器D/A转换器模拟滤波器xa(t)ya(t)x(n)y(n)对于DSP:狭义理解可为DigitalSignalProcessor数字信号处理器。广义理解可为DigitalSignalProcessing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。X(t)X(n)h(n)y(n)Y(t)DSP系统的实现方法-软件实现法-硬件实现法-DSP芯片法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。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。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,MAXIM28XNational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。4.DSP的特点和应用与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有如下特点DSP的应用（1）生活与高科技领域（2）地球物理勘探中精度高可靠性灵活性大易于大规模集成时分复用可获得高性能指标二维与多维处理（1）生活与高科技领域简单数字信号处理提高声音的品质、假声（加密、解密）——声控密码信号的压缩与解压数字电视发展图像处理信息提取（车牌识别、医学组织提取）图像加密解密（国防军事）地球物理勘探仪器与设备（2）地球物理勘探中的数字信号处理地球物理勘探中的数字信号处理电极测量的电场信号线圈测量的感应信号能够转换成电信号的振动信号能够转换成电信号的温度信号能够转换成电信号的磁场信号能够转换成电信号的放射性信号其它信号各种传感器阵列技术方法小结信号的概念与分类数字信号数字信号处理概念和广泛意义数字信号处理&应用地球物理的发展前景