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1、数字信号处理 Digital Signal Processing(DSP)教科书数字信号处理教程(第三版)程佩青 清华大学出版社讲授内容0.绪论-DSP的发展和应用 1.离散时间信号与系统 2.Z变换与离散时间傅里叶变换(DTFT) 3.离散傅里叶变换(DFT) 4.快速傅里叶变换(FFT) 5.数字滤波器(DF)的结构 6.IIR DF的设计 7.FIR DF的设计绪论 为何要上数字信号处理? 在过去的数十年中,数字信号处理 (DSP)的领域,无论在理论上还是技术上都 有非常重要的发展。由于工业上开发和利用廉价的硬件和软 件,使不同领域的新工艺和新应用现在都 想利用DSP算法、使它成为本科教
2、学内容 。第一节 什么是数字信号 处理一、数字信号处理(DSP) (Digital Signal Processing) 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Digital Signal Processor 数字信号处理器。广义理解可为 Digital Signal Processing 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(复习) 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。 例如:为了便
3、于处理,通常都使用传感器 把这些真实世界的物理信号-电信号, 经处理的电信号-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)2.信号的最基本的参数 频率和幅度 3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航) 30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信) 3003000kHz:Medium frequency(调幅广播) 3-30MHz:High frequency(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:Very H
4、igh frequency(VHF)(调频FM,VHF电视) 0.33GHz:Ultra high frequency(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VLF Very low frequency) 频率20Hz20KHz称为声波,Low frequency (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
5、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。(2)模拟信号和数字信号 模拟信号:指幅度连续的信号,通常指 时间和幅度上都是连续的信号 。 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
6、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 。4.信号处理 滤波 变换 压缩 估计 识别二、数字信号处理的学科概貌1.数字信号处理开端 在国际上一般把1965年由Cooley-Turkey 提出快速傅里叶变换(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,离散傅里叶
7、变换(DFT) 。3.“数字信号处理”又成为一些 学科的理论基础 在学科发展上,数字信号处理又和最优 控制,通信理论,故障诊断等紧紧相连 ,成为人工智能,模式识别,神经网络 ,数字通信等新兴学科的理论基础。4.数字信号处理基本学科分支 数字信号滤波分为经典滤波和现代滤波。经典滤波为 本科阶段学。主要为FIR 和IIR滤波器 数字信号频谱分析FFT进行谱分析统计频谱分析三、数字信号处理系统的基本组成 以下所讨论的是模拟信号的数字信号处理系统.前置预 滤波器A/D 变换器数字信号 处理器D/A 变换器模拟 滤波器模拟Xa(t)PrFADCDSPDACPoF模拟Ya(t)(1)前置滤波器 将输入信号
8、xa(t)中高于某一频率(称折叠 频率,等于抽样频率的一半)的分量加以 滤除。(2)A/D变换器 由模拟信号产生一个二进制流。 在A/D变换器中每隔T秒(抽样周期)取出 一次xa(t)的幅度,抽样后的信号称为离散 信号。(3)数字信号处理器(DSP) 按照预定要求,在处理器中将信号序列 x(n)进行加工处理得到输出信号y(n).(4)D/A变换器 由一个进制流产生一个阶梯波形,是形 成模拟信号的第一步。(5)后置滤波器 把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。 以滤除掉不需要的高频分量,生成所需 的模拟信号ya(t).第二节 数字信号处理的 实现数字信号处理实现方法 1.采用大、中小型计算机和微机。
9、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(
10、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。第三节 数据信号处理的特点 与模拟系统(ASP)相比,数字系统具有如下
11、特点 : 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.精度高 在模拟系统中,它的精度是由元件决定 ,模拟元器件的精度很难达到10-3以上。 而数字系统中,17位字长就可达10-5精度 ,所以在高精度系统中,有时只能采用 数字系统。2.可靠性强 数字系统:只有两个信号电平0,1受噪声 及环境条件等影响小。 模拟系统:各参数都有一定的温度系数, 易受环境条件,如温度、振动、电磁感应 等影响,产生杂散效应甚至振荡等 且数字系统采用大规模集成电路,其故障 率远远小于采用众多分立元件构成的模拟 系统。3.灵活性大 数字系统的性能主要决定于乘法器的各 系数,且系
12、数存放于系数存储器内,只 需改变存储的系数,就可得到不同的系 统,比改变模拟系统方便得多。4.易于大规模集成 数字部件:高度规范性,便于大规模集成 ,大规模生产,对电路参数要求不严,故 产品成品率高。 例:(尤其)在低频信号:如地震波分析,需 要过滤几Hz几十Hz的信号,用模拟系统 处理其电感器、电容器的数值,体积,重 量非常大,且性能亦不能达到要求,而数 字信号处理系统在这个频率处却非常优越( 显示出体积,重量和性能的优点。5.时分复用 利用DSP同时处理几个通道的信号。 某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙 时间,因而在同步器的控制下,在此时间空隙中 送入其他路的信号,而各路信号则利
13、用同一DSP ,后者在同步器的控制下,算完一路信号后,再 算另一路信号,因而处理器运算速度越高,能处 理的信道数目也就越多。多路器DSP分 路 器同步123n123n6.可获得高性能指标 例:对信号进行频谱分析 模拟频谱仪在频率低端只能分析到10Hz以上频 率,且难于做到高分辨率(也即足够窄的带宽) 。 但在数字的谱分析中,已能做到10-3Hz的谱分 析。 又例:有限长冲激响应数字滤波器,则可实现 准确的线性相位特性,这在模拟系统中是很难 达到的。7.二维与多维处理 利用庞大的存储单元,可以存储一帧或 数帧图象信号,实现二维甚至多维信号 包括二维或多维滤波,二维及多维谱分 析等。8.局限性 数
14、字系统的速度还不算高,因而不能处 理很高频率的信号。(因为抽样频率要满 足奈奎斯特准则定理) 另外,数字系统的设计和结构复杂,价 格较高,对一些要求不高的应用来说, 还不宜使用。第四节 数字信号处理的应用领域 自20世纪60年代以来,数字信号处理的 应用已成为一种明显的趋势,这与它突 出优点分不开的。 数字信号处理大致可分为: 信号分析 信号滤波一、信号分析 任务:涉及信号特性的测量。它通常是 一个频域的运算。 主要应用于: 谱(频率和/或相位)分析语音分析 说话人识别 目标检测二、信号滤波 任务:是信号入-信号出的情况。实现这个 任务的系统被称为滤波器。它通常(但不总是) 作时域运算。 主要
15、应用于: 滤除不需要的背景噪声,去除干扰 频带分割, 信号谱的成形 所以它广泛地应用于数字通信,雷达,遥感, 声纳,语音合成,图象处理,测量与控制, 高清晰度电视,多媒体物理学,生物医学, 机器人等。三、DSP的典型应用 1.网络 2.无线通信 3.家电 4.另外还有虚拟现实,噪声对消技术,电 机控制,图像处理等等 可以说DSP是现代信息产业的重要基石 ,它在网络时代的地位与CPU在PC时代 的地位是一样的。四、举例 1.语音处理 它是最早采用数字信号处理技术的领域之一。 本世纪50年代提出语音形成数字模型,经过十多年 对语音的分析、综合、证明是正确的。 在语音领域现存在着三种系统:语音分析系统:(自 动语音识别系统,它能识别语音,辨认说话的人是 谁,而且破译后,能立即作出决断。语音综合系统 :盲人的自动阅读机,声音响应的计算机终端,会 说话玩具,家用电器(CD,VCD,DVD)。语音分析综 合系统:语音存储和检索系统。 即广泛应用于电话窃听。即应用于语音编码、语音 合成、语音识别、语音增强、说话人确认、语音邮 件、语音存储等。2.图像处理 数字信号处理技术成功应用的图像处理方法 有: 数据压缩 图像复原 清晰化与增强 由于单个数字图像以1兆个采样值的量级表示 ,所以要求高性能的处理机、高密度的数据 存储器。即要求高速度硬件。3.雷达 在军事上,雷达、计算机、射击