东南大学-数字信号处理-吴镇扬-1-1

数字信号处理绪论一、从模拟到数字1、留声机诞生于１８７７年。它的发明人就是誉满全球的发明大王爱迪生。2、模拟系统经历了一个世纪的历程。留声机→电唱机→钢丝录音机→磁带录音机3、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。一、从模拟到数字DigitalMediaProcessingWebpadTelematicsWirelessDevices:802.11,Bluetooth,OthersEnhancedGamingMilitaryandGovernmentCellular,SecureConnectivityIndustry-SpecificPDAsBiometricsMedicalDevices一、从模拟到数字1、信号：信号传递信息的函数也是独立变量的函数，这个变量可以是时间、空间位置等。2、连续信号：在某个时间区间，除有限间断点外所有瞬时均有确定值。3、模拟信号是连续信号的特例。时间和幅度均连续。4、离散信号：时间上不连续，幅度连续。5、数字信号：幅度量化，时间和幅度均不连续。模拟信号的数字化数字信号数码量化电平模拟信号采样保持信号量化电平数字信号转化成模拟信号数字信号数码量化电平D/A输出信号模拟信号D/A输出模拟滤波输出A/D变换器通用或专用计算机采样保持器D/A变换器模拟低通滤波器模拟信号数字信号模拟信号数字信号处理系统连续时间信号连续时间信号数字信号处理采用数字系统完成信号处理的任务，它具有数字系统的一些共同优点，例如抗干扰、可靠性强，便于大规模集成等。除此而外，与传统的模拟信号处理方法相比较，它还具有以下一些明显的优点：二、数字信号处理的主要优点1、精度高在模拟系统的电路中，元器件精度要达到１０－３以上已经不容易了，而数字系统17位字长可以达到１０－５，这是很平常的。例如，基于离散傅里叶变换的数字式频谱分析仪，其幅值精度和频率分辨率均远远高于模拟频谱分析仪。数字信号处理采用了专用或通用的数字系统，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。2、灵活性强例如：有限长单位脉冲响应数字滤波器可以实现严格的线性相位；在数字信号处理中可以将信号存储起来，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；数据压缩方法可以大大地减少信息传输中的信道容量。3、可以实现模拟系统很难达到的指标或特性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。4、可以实现多维信号处理（1）增加了系统的复杂性。他需要模拟接口以及比较复杂的数字系统。（2）应用的频率范围受到限制。主要是A/D转换的采样频率的限制。（3）系统的功率消耗比较大。数字信号处理系统中集成了几十万甚至更多的晶体管，而模拟信号处理系统中大量使用的是电阻、电容、电感等无源器件，随着系统的复杂性增加这一矛盾会更加突出。5、缺点•1946年宾夕法尼亚大学发明了第一代电子管计算机•1957年飞歌公司制造出第二代晶体管计算机•1964年IBM公司制造出第三代集成电路计算机•1971年Intel公司制造出第四代微型计算机―微处理器•1975年第一台PC机•1979年苹果机问世•1982年IBM—PC三、发展特点年代发展规模1971年第一块微处理器4004，大约3000个晶体管1974年8位微处理器8080，大约9000个晶体管1978年16位微处理器8086，大约5万个晶体管1986年32位微处理器80386，50万个晶体管1989年微处理器80386，120万个晶体管1993年INTEL高性能Pentium微处理器，310万个晶体管，包括MMX指令集1997年INTELPentiumII微处理器，750万个晶体管1999年INTELPentiumIII微处理器，2400万个晶体管，包括SSE指令集2000年INTELPentium4微处理器，4200万个晶体管，包括SSE2指令集2003年第一块64位微处理器AMDAthlon64，大约10600万个晶体管2006年INTELCore2Duo双核微处理器，大约29100万个晶体管，包括改进SSE3指令集年代（20世纪）特点$/MIPS60年代大学探索$100-$1,00070年代军事运用$10-$10080年代商用成功$1-$1090年代消费类电子$0.1-$1今后生活用品$0.01-$0.1三、发展特点上个世纪60年代计算机每秒可以完成百万次操作，而1024点的DFT就需要百万次的复数乘法运算。上个世纪80年代用AppleII计算机用雷米兹交替算法设计一256阶的FIR滤波器需要20多小时。上个世纪90年代已经可以实时地在PC机上实现音视频的编解码。三、发展特点三、发展特点(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数个纳秒的时间内完成一次浮点乘法运算，这无论在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；(2)由低频走向高频，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；(3)由一维走向多维，像高分辨率彩色电视、雷达、石油勘探等多维信号处理的应用领域已与数字信号处理结下了不解之缘。（4）各种数字信号处理系统均几经更新换代在图像处理方面，图像数据压缩是多媒体通信、影碟机(VCD或DVD)和高清晰度电视(HDTV)的关键技术。国际上先后制定的标准H.261、JPEG、MPEG—1和MPEG—2中均使用了离散余弦变换(DCT)算法。近年来发展起来的小波(Wavelet)变换也是一种具有高压缩比和快速运算特点的崭新压缩技术，应用前景十分广阔，可望成为新一代压缩技术的标准。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。可以说，数字信号处理技术已在信息处理领域引起了广泛的关注和高度的重视。数字信号处理不断开辟新的应用领域五、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）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。其优点是经济，一机可以多用；缺点是处理速度慢，这是由于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。在许多非实时的应用场合，可以采用软件实现方法。例如，处理一盘混有噪声的录像(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。通用计算机即可完成上述任务，而不必花费较大的代价去设计一台专用数字计算机。数字信号处理的软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。其优点是容易做到实时处理，缺点是设备只能专用。数字信号处理的硬件实现片上系统（SOC,SystemonaChip）•随着大规模集成电路的发展，一个复杂数字信号处理系统已可以集成在一个芯片上。SOC包含有数字和模拟电路、模拟和数字转换电路、微处理器、微控制器以及数字信号处理器等。与传统的集成电路不同的是，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。SOC要充分考虑如何合理划分软件和硬件所实现的系统功能以及如何实现软、硬件之间的信息传递。SOC将是数字信号处理系统的一个新型的实现方法。并行是指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；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，这就是复用；流水结构也是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，而流水结构类似于生产中的流水线，数据经一道道“工序”处理。采用并行或流水结构，完全取决于数字信号处理的运算结构。并行、复用和流水研究内容经典的数字信号处理限于线性时不变系统理论,数字滤波和FFT是常用方法。随机信号处理:基于平稳高斯随机信号目前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、高阶矩分析、盲处理、分形、混沌理论l基础理论：离散时间信号与系统（ch1）l离散傅立叶变换DFT（ch2）快速傅立叶变换FFT（ch2）l数字滤波器无限长单位脉冲响应（IIR）滤波器(ch3)有限长单位脉冲响应（FIR）滤波器(ch4)l数字信号处理系统的实现（ch5）数字信号处理器硬件（ch5）l多采样率数字信号处理（ch6）l完成一定的上机实验课程介绍第一章离散时间信号与系统•离散时间信号•采样•离散信号的傅氏变换与Z变换•离散时间系统•系统函数1.1离散时间信号（１）单位脉冲序列0,00,1)(nnn（２）单位阶跃序列0,00,1)(nnnu（３）矩形序列NnnNnnRN,0,010,1)(1……N-1n（４）实指数序列)()(nuanxn（５）正弦序列•x(n)=sin（nω0）sin(n0)-1（５）复指数序列0()00()(cossin)jnnxnAeAenjn当0时x(n)的实部和虚部分别是余弦和正弦序列。x(n)=(0.65+j0.5)nu(n).序列的运算1、序列的相加z(n)=x(n)+y(n)2、序列的相乘f(n)=x(n)y(n)3、序列的移位y(n)=x(n-n0)4、序列的能量nnxS2)(nnx2)(平方可和序列nnx)(绝对可和序列xBnx)(有界序列)()()(mnmxnxm6、序列的单位脉冲序列表示5、实序列的偶部和奇部)()()(nxnxnxoe)]()([21)(nxnxnxe)]()([21)(nxnxnxo1.2采样模拟信号的数字化数字信号数码量化电平模拟信号采样保持信号量化电平对信号进行时间上的离散化，这是对信号作数字化处理的第一个环节。1.2采样研究内容：•信号经采样后发生的变化（如频谱的变化）•信号内容是否丢失（采样序列能否代表原始信号、如何不失真地还原信号）•由离散信号恢复连续信号的条件采样的这些性质对离散信号和系统的分析十分重要，要了解这些性质，首先分析采样过程。1.采样过程采样器一般由电子开关组成，开关每隔Ｔ秒短暂地闭合一次，将连续信号接通，实现一次采样。连续时间信号的采样采样器P(t)T如开关每次闭合τ秒，则采样器的输出是一串重复周期为T，宽度为τ的脉冲，(如图)脉冲的幅度是这段时间内信号的幅度(如图)，这一采样过程可看作是一个脉冲调幅过程，脉冲载波是一串周期为T、宽度为τ的矩形脉冲，以P(t)表示,调制信号是输入的连续信号xa(t),则采样输出为一般τ很小,τ越小，采样输出脉冲的幅度越接近输入信号在离散时间点上的瞬时值。)()()(tptxtxap2.理想采样开关闭合时间τ→0时，为理想采样。特点：采样序列表示为冲激函数的序列，这些冲激函数准确地出现在采样瞬间，其积分幅度准确地等于输入信号在采样瞬间的幅度。即：理想采样可看作是对冲激脉冲载波的调幅过程。我们用M(t)表示这个冲激载波，nnTttM)()(则有)()()(ˆtMtxtxaannaanTtnTxnTttx)()()()(实际情况下，τ＝0达不到，但τT时，实际采样接近理想采样，理想采样可看作是实际采样物理过程的抽象，便于数学描述，可集中反映采样过程的所有本质特性，理想采样对Z变换分析相当重要。3、采样信号的频谱dtetxtxFjXtjaaa)()()(