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1、数字信号处理,西南科技大学信息工程学院 张红英 QQ:304822275 Email: zhy0838,第一章 概论,课程概述,本课程主要介绍数字信号处理的基本原理、方法和实现 学习目的：基本掌握现代数字信号处理的基本概念及方法，并能运用其原理解决工程技术领域的实际问题 课程特点：理论和实践、原理和应用的紧密结合 先修课程：复变函数、概率论、信号与系统、计算机基础,总学时数： 45 主要参考书 ： 英文： (1)奥本海姆著：数字信号处理 (2)奥法尼德斯著：信号处理导论 中文： (1)数字信号处理教程，程佩青，清华大学出版社。 (2) 数字信号处理-理论、算法与实现，胡广书，清华大学出版社。
2、(3)离散时间信号处理，【美】奥本海姆著，黄建国、刘树棠译，科学出版社出版。 (4)数字信号处理及MATLAB实现，余成波等，清华大学出版社,课程概述,教学内容：,绪论 第1章 离散时间信号与系统 第2章 Z变换与DTFT 第3章 DFT 第4章 FFT 第5章 数字滤波器的基本结构 第6章 IIR数字滤波器的设计 第7章 FIR数字滤波器的设计,考核办法：,平时作业和考勤 20 期末成绩 60 大作业 20,数字信号处理的两个内涵,Digital Signal Processing (数字信号处理).数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压
3、缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。（数字信号处理三大块：滤波、变换、复原） Digital Signal Processor (数字信号处理器). 数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。（复杂性、快速性）,数字信号处理系统中的微处理器 通用微处理器（GPP：General Purpose Processor ） 单片机（Signal Chip Computer，也称MCU，Microcontroller Unite） DSP处理器,信息化的基础是数字化-The foundation of informatio
4、n technology is digitalization. 数字化的核心技术之一就是数字信号处理-The kernel of digitalization is digital signal processing 数字信号处理的任务，特别是时实处理的任务，在很大程度上需要有DSP器件或以DSP为核心的ASIC来完成-Most of digital signal processing, especially real-time processing are implemented by DSP processor or ASIC based on DSP core DSP技术已经成为人们日益
5、关注的并得到迅速发展的前沿技术-DSP technology becomes hot front edge and is growing up rapidly.,基本概念-信号(Signal),信号（Signal）：信息的载体，信息的物理表现形式，是传递信息的函数 信息：信号的具体内容。,信号我们并不陌生，如刚才铃声声信号，表示该上课了； 十字路口的红绿灯光信号，指挥交通； 电视机天线接受的电视信息电信号； 广告牌上的文字、图像信号等等。,信号是信息的表现形式与传送载体，信息是信号的 传送内容，通过信号传递信息。 为了有效地传播和利用信息，常常需要将信息转换 成便于传输和处理的信号。,信号的分
6、类方法很多，可以从不同的角度对信 号进行分类；,信号的分类,电信号与非电信号,电信号：随时间变化的电压和电流。 非电信号：声信号、光信号,周期信号和非周期信号,周期信号： 非周期信号,确定性信号和随机信号,确定性信号：信号在任意时刻的取值能精确确定,随机信号：信号在任意时刻的取值不能精确确定,信号的分类,离散时间信号：在时间上是离散的，只在某些不连续的规定瞬时给出函数值，其它时间没有定义。 用k表示离散时间变量,连续信号和离散信号,连续时间信号：信号存在的时间范围内，任意时刻都有定义（即都可以给出确定的函数值，可以有有限个间断点）。 用t表示连续时间变量,信号的分类,模拟信号，抽样信号，数字信
7、号,数字信号：时间和幅值均为离散 的信号。,模拟信号：时间和幅值均为连续 的信号。,抽样信号：时间是离散的，幅值 是连续的信号。,量化,抽样,信号的分类,能量信号与功率信号,将信号f (t)施加于1电阻上，它所消耗的瞬时功率为| f (t) |2，在区间( , )的能量和平均功率定义为,（1）信号的能量E,（2）信号的功率P,若信号f (t)的能量有界，即 E ,则称其为能量有限信号，简称能量信号。此时 P = 0,若信号f (t)的功率有界，即 P ,则称其为功率有限信号，简称功率信号。此时 E = ,信号的分类,时限信号(仅在有限时间区间不为零的信号)为能量信号; 周期信号属于功率信号，而
8、非周期信号可能是能量信号，可能是功率信号，也可能是非功率非能量信号。,因果信号与非因果信号,因果信号：t0时，f ( t )恒为0。,实信号与复信号,信号的分类,一维信号和多维信号,一维信号： 只由一个自变量描述的信号，如语音信号； 多维信号： 由多个自变量描述的信号，如图像信号,按实际用途划分： 电视信号，雷达信号，控制信号，通信信号，广播信号， ,信号的分类,信号分析方法：,（1）时域分析 （2）频域分析（DFT、FFT） （3）时频域分析（小波分析）,基本概念系统,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（按所处理信号
9、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 线性/非线性，时不变/时变，因果/非因果， 稳定/非稳定。,信号与系统的描述,任何系统都接受输入信号，产生另外的输出信号， 系统的特定功能就是用其输入/输出信号的变换关系 来描述的。 任何信号的改变，无论是物理形态的改变还是所包 含信息内容的变化都是某种系统实现的。,信号理论与系统理论,信号理论：,系统理论：,信号分析：研究信号的基本性能，如信号 的描述、性质等； 信号传输 信号处理,系统分析：给定系统，研究系统对于输入 激励所产生的输出响应。 系统综合：按照给定的需求设计（综合） 系统。,例：一个离散系统可表示
10、为,输入x(n) 输出y(n) 时域 X() H() Y() 频域,时域表达式：,频域表达式：,系统分析已知系统构成，给定输入激励，可求出输出响应； 信号恢复已知系统构成，已知输出，可求输入信号（从系统输出信号中提取原信号） 系统辨识已知系统的输入和输出，求系统函数或系统时间特性（系统综合）。,从时域表达式 可知： 1）已知x、h，求y是求卷积； 2）已知x、y，求h是求卷积的反演解卷积； 3）已知h、y，求x是解卷积。 从频域表达式 可知，只要已知两个物理量，就可通过乘除运算求得第三个物理量。在频域对系统分析、综合，及信号恢复的运算都将变得容易一些。,系统分析方法： 时域、频域（DFT、FF
11、T）、复频域等。,基本概念信号处理,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 内容包括： 滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等,信号处理的发展,现代信号处理的标志 傅立叶变换(19世纪初叶),信号处理的发展,1965年快速傅立叶变换算法（FFT）的问世，作为数字信号处理学科的开端。 理论包括： (1)信号的采集(A/D技术、抽样定理、量化分析)； (2)离散信号的分析(时域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等)； (3)离散系统分析(系统描述、单位抽样响应、转移函数、频率特性等)；,基础,(4)快速算法(F
12、FT)； (5)数字滤波技术(有限长、无限长数字滤波器设计与实现)； (6)信号的估值(功率谱估计与相关函数估计等)； (7)信号的建模(如：AR-全极点模型，MA-全零点模型，ARMA-零极点模型，等)； (8)数字信号处理的应用技术(数据压缩、语音编码、图象压缩等)； (9)实现(软件、硬件),信号处理的发展,信号分析：加深对信号特性的理解 例如： 用频谱仪分析信号，了解其频谱分布、噪声、杂散等 技术监督部门用以检查商品质量的各种手段,信号处理的发展,信号处理：改变信号的某些特征来满足人们的要求 例如： 信号的编码/解码，调制/解调，压缩/解压，扩频/解扩等 电视信号的调制是信号处理的杰作
13、(调频的伴音副载频，彩色副载频，残留边带调制),分类： 模拟信号处理 数字信号处理,信号处理的发展,为什么要采用数字信号,灵活性高 模拟处理系统：修改硬件设计，或调整硬件参数。 数字处理系统：改变软件设置。 例如：模拟滤波器，数字滤波器，自适应滤波器,为什么要采用数字信号,精度高 模拟处理系统：元器件精度 数字处理系统：A/D的位数和计算机字长，算法。,可靠性和可重复性 模拟系统：受环境温度、湿度、噪声、电 磁场 等的干扰和影响大 数字系统：可靠性和可重复性好,为什么要采用数字信号,可重复性,抗噪声干扰,大规模集成 模拟系统：尽管已有一些模拟集成电路，但品种 较少、集成度不高、价格较高 数字系
14、统：DSP 体积小、功能强、功耗小、一致 性好、使用方便、性能/价格比高,为什么要采用数字信号,模拟信号处理是不可取代的,时实性 模拟系统：除开电路引入的延时外，处 理是时实的 数字系统：由计算机的处理速度决定,高频信号的处理 模拟系统：可以处理包含微波毫米波乃 至光波信号 数字系统：按照奈圭斯特准则的要求， 受S/H、A/D和处理速度的限制,模拟信号处理是不可取代的,模拟与数字信号的转换 现实世界的信号绝大多数是模拟的(温度、速度、压力等)，转换成的电信号也是模拟的(电流、电压等)。要实现数字处理，就必须进行转换。,模拟信号处理是不可取代的,DSP系统的基本组成,数字信号处理方框图,DSP系
15、统的实现方法,软件实现法-慢，灵活 硬件实现法-快，不灵活 DSP芯片实现法-快，灵活,DSP技术的应用 移动通信系统-Mobile Phone,GSM手机的简单框图,手机不仅仅用于通话-The handset is not only used for voice communication,理想的软件无线电-Software radio,中频采样软件无线电,数字照相机（ Digital Camera ),Digital Camera,汽车多媒体系统,Mass Storage- DVD(Digital Video Disc),HDTV-High Definition TV,声音噪声消除,图像噪
16、声消除,新加坡南洋理工大学，1998年TI dsp大赛金奖,图像噪声消除,等离子电视-PDP (Plasma Display)TV,家庭影院(Home Theater),机顶盒（SET-TOP-BOX）,飞机模拟驾驶器(Simulator of airplane),虚拟仪器,CDMA Measurements with Vector Signal Analyzer,全球定位系统GPS(Global Position System),雷达和声纳（Radar/Sonar）,巡航导弹(Cruise missile),中国新型YJ-62C远程反舰巡航导弹,国产的DH-10型巡航导弹,美海军战舰发射战斧式巡航导弹,F117发射激光制导灵巧炸弹 (Smart bomb from F117),美国海军EP-3电子侦
