《数字信号处理引言》ppt课件

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1、1,数字信号处理,2,引言,数字信号处理是过去40年快速发展起来的科学和工程领域。这种快速发展是数字计算机技术的和集成电路技术的迅猛发展的结果。 40年以前的数字计算机及相关硬件设备体积非常巨大，价格也很昂贵，这就使它的应用局限于一般的非实时科学计算和商业领域。 集成电路技术的快速发展，促进了数字计算机及特殊用途的数字硬件技术的革命性进步，使得现在的计算机及专用数字硬件变得强大、小巧、廉价、快速。,3,使用廉价、高速的数字电路能构造出执行更复杂的数字信号处理的功能和任务的数字系统，这些功能和任务要是用模拟电路或模拟信号处理系统来完成是非常困难的，或者代价太高以致无法完成。 很多传统上由模拟方法

2、实现的信号处理任务，现在都可由更低廉、更可靠的数字硬件来实现。 对于许多带宽非常宽的信号来说，实时处理是一个关键的问题，对于这种信号，模拟系统或者甚至光信号处理系统是惟一可行的解决方案。然而，如果数字电路有足够的速度来进行处理的话，一般来说，数字信号处理系统是更为可取的方案。,4,对于信号处理，数字系统除了具有价格上的优势和性能可靠的特点，还有一些别的优点。 数字处理硬件允许可编程操作,数字硬件和相应的软件在系统设计上提供了更大的灵活性。 与模拟电路和模拟信号处理系统相比，数字硬件和软件实现，通常具有更高精度。,5,“数字信号处理” 是国外大学电子工程、计算机工程、信号处理以及通信工程等专业的

3、本科和研究生的一门核心课程。 本课程的目的是介绍一些数字信号处理基本的分析工具和相关的技术。 主要介绍离散时间信号、系统和现代数字处理的基础知识，以及它们在电子工程、计算机工程和计算机科学等专业方面的应用。,6,主要内容 本书共分为14章及2个附录.,前10章讲述了基本数字信号处理知识，依次为:绪论、离散时间信号与系统、 变换及其在LTI系统分析中的应用、信号的频率分析、LTI系统的频域分析、信号的采样与重建、离散傅里叶变换的特性及应用、快速傅里叶变换算法、离散时间系统的实现、数字滤波器设计。 后4章介绍了高级数字信号处理，包括多速率数字信号处理、线性预测和最优线性滤波器、自适应滤波器以及功率

4、谱估计。 附录A介绍随机数发生器，附录B摘录了用于线性相位FIR滤波器设计的转换系数表。最后，作者还给出了参考书目及精选习题答案。,主要内容(A),第1章描述模拟信号的模数转换过程所涉及到的操作。描述了正弦信号的采样过程，解释了混叠问题，并且对信号量化和数模转换的一般术语进行了描述。 第2章主要论述时域的LTI离散时间系统和离散时间信号。导出了卷积和公式，并根据系统的冲激响应时宽将其分为有限长冲激响应（FIR）和无限长冲激响应（IIR）。描述了由差分方程表征的LTI系统，并得到了具有初始条件的差分方程的解。总结了离散时间相关性问题。,8,主要内容(B),第3章介绍 变换，包括双边 变换和单边

5、变换，并给出了确定逆 变换的方法。论述了在LTI系统的分析过程中如何使用 变换，证实了系统的重要特性都与 域特征有关，如因果性和稳定性。 第4章论述频域中的信号分析。描述了连续时间信号和离散时间信号的傅里叶级数和傅里叶变换。,9,主要内容(C),第5章通过频率响应函数表征了频域中的LTI离散时间系统，并确定了对周期和非周期信号的响应。描述了一些重要类型的离散时间系统。同时，也考察了一些简单FIR和IIR滤波器的设计。此外，还介绍了最小相位、混合相位和最大相位系统的概念，以及去卷积的问题。 第6章讲述连续时间信号的采样以及由采样信号重构原始信号的内容。所涉及的范围包括带通信号的采样和重构，离散时

6、间信号的采样及模数和数模转换过程。本章中还包含有对过采样的模数和数模转换器的处理。,10,主要内容(D),第7章讨论DFT的性质和应用。描述了用DFT执行线性滤波的两种方法，并说明了使用DFT对信号进行频率分析的方法。最后讨论了离散余弦变换。 第8章涉及DFT的有效计算。本章描述了基2、基4和分裂基FFT算法，以及FFT算法在卷积和相关计算中的应用。对于用线性滤波计算DFT的方法，介绍了Goertzel算法和线性调频z变换两种方法。 第9章介绍IIR和FIR系统的实现方法。包括直接型、级联型、并联型、格型和带抽头的格型滤波器结构的实现。本章同时分析了在数字实现FIR和IIR系统过程中的量化效应

7、。,11,主要内容(E),第10章介绍数字FIR和IIR滤波器的设计技术。设计技术包括离散时间的直接方法和通过各种变换将模拟滤波器转换成数字滤波器的方法。 第11章介绍采样率变换及其在多采样率数字信号处理中的应用。除了描述了通过整数和有理数因子的抽取和插值之外，还介绍了对于任意因子的采样率转换方法，以及多相位滤波器结构的实现。本章还讨论了数字滤波器组、二通道的正交镜像滤波器（QMF）和M通道的QMF组。 第12章介绍线性预测和最优线性维纳滤波器。本章还描述了求解归一化方程的Levinson-Durbin算法和Schur算法，以及AR格型和ARMA格型抽头滤波器。,12,主要内容(F),第13章

8、介绍基于LMS算法和RLS算法的单通道自适应滤波器。直接型FIR和格型RLS算法及滤波器结构均在本章介绍。 第14章讲述功率谱估计。描述了不带参数的方法和基于模型（带参数的）的方法，描述了基于特征组合的方法，包括MUSIC和ESPRIT。,13,所需预备知识,微积分(包括普通差分方程和复变函数导论) 。 概率论和数理统计。 连续时间信号线性系统，包括拉氏变换。 傅里叶级数和傅里叶变换。 MATLAB软件。,14,第1章 绪 论,1.1 信号、系统和信号的处理 1.2 信号的分类 1.3 时间信号中的频率概念 1.4 模数和数模转换 1.5 小结与参考文献,15,1.1 信号、系统和信号的处理,

9、1 数字信号处理系统的基本组成 2 数字处理系统相对于模拟系统的优势,16,信号: 一个随时间、空间或者任何其他的独立变量或变量变化的物理量。 从数学上讲，我们可以把信号看成一个函数。 精确地表示 近似地表示 一段语音信号: 心电图(ECG) 脑电图(EEG),17,信号产生的方法,语音信号:气流流过声带，图像信号:胶片曝光。 * 信号的产生可看做是一个系统对外界的激励产生 的响应。与系统一起的外界激励称为信号源。 一个系统可定义为能对信号产生作用的物理器件。 当信号通过一个系统时，就说对信号进行了处理。 如果对信号的作用是线性的，就说这个系统是线性系统，如果对信号的操作是非线性的，那么就称该

10、系统是非线性系统。这种对信号的作用叫做信号处理。,18,系统的概念不仅仅局限于物理器件，而且对信号处理的软件实现也可以认为是系统。 广义上讲，一个数字系统就是硬件和软件的结合，它们分别发挥着各自的作用。 把数字信号处理系统中用程序实现的数学方法叫做算法。讨论用软件或硬件的方法来实现对信号的处理。 数字信号处理的关键问题就是找到高效、快速、容易实现的算法来解决诸如滤波、相关和频谱分析等一系列的问题。,19,1 数字信号处理系统的基本组成,科学和工程领域的大多数信号在本质上都是模拟的，即信号所对应函数中的变量是连续变化的，变量的取值范围也是连续区间。 模拟信号处理 数字信号处理,数字信号处理器可以

11、是一个大型的可编程数字计算机，也可以是一个微处理器，也可能是一个可配置的处理器，通过加载特定的配置来实现不同的功能。 可编程的特点可以通过运行不同的软件来改变对信号处理的方法，因此得到了普遍的应用。 处理方式确定后，通过优化配置可获得相对廉价的信号处理器，经过优化后的处理器比可编程的处理器运行速度快。,21,2 数字系统相对于模拟系统的优势,对于一个可编程的数字系统，改变一下程序就可以改变对信号处理的方式，而对模拟系统的重新配置就意味着要重新设计硬件，重新调试验证系统。 模拟器件的误差使得整个系统很难对精度进行控制，数字系统可较好地满足精度要求(取决于A/D转换器的精度以及处理器的字长，浮点还

12、是定点算法等)。 数字信号可以很容易地储存在磁介质中而不会丢失，除了A/D转换之外不会引入额外的失真。因此，数字信号可以传输，也可以远程操作。 数字信号处理的算法可以非常复杂。模拟形式的信号很难进行精确的数学计算，而数字信号的处理可以在计算机上反复地运行。,22,模拟信号的数字化存在的不足,由于取样和量化带来的失真使得不可能从数字信号中原原本本地恢复出原来的模拟信号，但是这种失真可以通过适当地选取取样频率和量化精度来控制。 在数字信号处理系统中必须考虑量化带来的有限精度效应。 当信号的带宽很宽时，就要求A/D转换器和处理器有很高的速度，这种信号的处理就不是数字信号处理力所能及的了。,23,1.

13、2 信号的分类,1 多通道和多维信号 2 连续时间信号和离散时间信号 3 幅值连续信号和幅值离散信号 4 确定信号和随机信号,24,1 多通道和多维信号,信号处理的方法及分析系统对输入信号的响应的方法很大程度上依赖于信号的属性。 信号可以描述为一个或几个独立变量的函数，函数的值可以是实数、复数甚至矢量。 信号是由多个信源或多个传感器产生，以矢量形式表示的信号称为多通道信号(如心电图中经常用到3通道或12通道信号)。 如果信号是M个独立变量的函数，则称该信号为M维信号。,25,1 多通道和多维信号(续),多通道信号 彩色电视信号是3通道(分别代表3种颜色的亮度)三维信号,图片每点的亮度可以用 表

14、示,是二维信号。 黑白电视机每点的亮度可以用 表示，是一个三维信号。,26,2 连续时间信号和离散时间信号,连续时间信号或模拟时间信号在时间轴上的取值是连续的，它们可以在连续区间(a,b)上取值，这些信号可以看做连续变量的函数(语音信号和 )。 离散时间信号只能在特定的时刻取值(不一定要等间隔)，出于计算的考虑和数学上的方便通常都等间隔取值( )。,27,离散时间信号的表示与出现方式,记做 ,如果时刻是等间隔的(例如 )，则可以使用 。 在实际中，离散时间信号可能以两种方式出现： (1)通过在离散时间点上对模拟信号进行取值。 (2)在一个时间周期内对一个信号进行累加。,离散时间信号的图形表示,

15、Wolfer年度太阳黑子数量(1770-1869),28,3 幅值连续信号和幅值离散信号,如果信号可以取到一个有限或无限区间上所有的值，这个信号就是连续幅值信号。 如果信号的取值只能是某些值则称为离散幅值信号。 数字信号:时间上和幅值上均取离散值的信号。 对一个信号进行数字化处理，该信号必须是一个数字信号。,带有4个幅度值的数字信号,在离散时刻做取样,得到离散时间信号,然后将取样值量化到一组离散值,便可转换为数字信号。,29,4 确定信号和随机信号(A),信号的模型: 对信号本身的数学描述。 一个信号如果能用一个明确的数学表达式，或者一张数据表，或者定义明确的规则来惟一描述的话，这个信号就被称

16、为确定信号。 有些信号不能用一个清晰完整的数学表达式来表达，或者这样的表达式太复杂，没什么实际价值。这意味着这种信号随时间的变化是不可预测的，称之为随机信号。,30,4 确定信号和随机信号(B),对随机信号的描述和分析需要统计方法(概率论和随机过程)。 确定性信号和随机性信号之间的界线并不十分清晰。 数学工具的选取与信号的类型有关。,31,随机信号 来自同一信号发生器的两个随机过程和它们的频谱,32,1.3 时间信号中的频率概念,1 连续时间正弦信号 2 离散时间正弦信号 3 谐波相关复指数函数,33,1 连续时间正弦信号,连续时间正弦信号,34,模拟正弦信号有下述的特点：,A1. 对于频率 每个固定值, 是周期函数即 。 A2. 不同频率的连续时间正弦信号彼此是不 同的。 A3. 频率增加意味着振动次数增加，即在给定的时间内包含更多的周期。 ,35,连续时间正弦信号的复指数表示,复指数表示 频率是个正物理量，可理解为周期信号中单位时间内的周期数。 出于数学上分析的方便,引入负