数字信号处理第一章绪论

数字信号处理王倩雪[e-mail]18902220121DigitalSignalProcessing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。yyttttyy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》SanjitK.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）》RichardG.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：CRxa(t)ya(t)延时x(n)y(n)a-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a()Xt()Xt()XnT()Xn()Yn()Yta()Yta()Hs采样()Hzr()HsADCDAC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a()Xt()Xt()XnT()Xn()Yn()Yta()Yta()Hs采样()Hzr()HsADCDAC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a()Xt()Xt()XnT()Xn()Yn()Yta()Yta()Hs采样()Hzr()HsADCDAC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a()Xt()Xt()XnT()Xn()Yn()Yta()Yta()Hs采样()Hzr()HsADCDAC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a()Xt()Xt()XnT()Xn()Yn()Yta()Yta()Hs采样()Hzr()HsADCDACT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a()Xt()Xt()XnT()Xn()Yn()Yta()Yta()Hs采样()Hzr()HsADCDACADC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a()Xt()Xt()XnT()Xn()Yn()Yta()Yta()Hs采样()Hzr()HsADCDACH(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a()Xt()Xt()XnT()Xn()Yn()Yta()Yta()Hs采样()Hzr()HsADCDACDAC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a()Xt()Xt()XnT()Xn()Yn()Yta()Yta()Hs采样()Hzr()HsADCDACHr(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a()Xt()Xt()XnT()Xn()Yn()Yta()Yta()Hs采样()Hzr()HsADCDAC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）