数字信号处理课件第一章绪论

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1、数字信号处理 Digital Signal Processing,西北大学信息科学与技术学院 2012版,作者简介,赵健：男，西北大学信息科学与技术学院教 授，硕士研究生导师。毕业于西北工业大学信号与 信息处理专业（博士学位），先后在西北大学计算 机科学与技术博士和西北工业大学电子科学与技术 博士后流动站从事2站博士后研究工作。IEEE会员， 中国图像图形学会会员。 联系地址：西北大学信息科学与技术学院 710069 E-MAIL：zjctec ,西北大学信息科学与技术学院 2012版,第1章 绪论,一、基本概念 1.信号 2.系统 3.信号处理,西北大学信息科学与技术学院 2012版,1、信

2、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 - 连续时间信号 / 离散时间信号 / 数字信号,西北大学信息科学与技术学院 2012版,按自变量与函数值的取值形式不同分类：,西北大学信息科学与技术学院 2012版,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（模拟信号系统） - 离散时间信号系统 - 数字信号系统,西北大学信息科学与技术学院 2012版,3、信号处理

3、信号处理：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。 信号处理的分类：,西北大学信息科学与技术学院 2012版,- 模拟信号处理,- 数字信号处理,二、 数字信号处理的基本概念,数字信号处理是把信号用数字或符号表示的序列，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。数字信号处理是利用专用或通用数字系统（包括计算机）以二进制计算的方式对数字信号进行处理。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,模拟信号处理是传统的信号处理手段，它采用模拟

4、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。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,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,西北大学信息科学与技术学院 2012版,模拟信号,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(

5、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1.2 用数字方法处理模拟信号的过程,西北大学信息科学与技术学院 2012版,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。,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1.3 用数字方法处理模拟信号的过程,西北大学信息科学与技术学院 2012版,滤波后的模拟信号,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

6、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1.4 用数字方法处理模拟信号的过程,西北大学信息科学与技术学院 2012版,采样的作用是对x(t)进行自变量t 的离散化。,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1.5 用数字方法处理模拟信号的过程,西北大学信息科学与技术学院 2012版,T为均匀采样间隔,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(

7、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1.6 用数字方法处理模拟信号的过程,西北大学信息科学与技术学院 2012版,ADC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据x(n)。,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1.7 用数字方法处理模拟信号的过程,西北大学信息科学与技术学院 2012版,H(z)表示一个DSP系统，完成对x(n)的处理。,在如图所示的处理系统中，H(z)是核心环节，数

8、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1.8 用数字方法处理模拟信号的过程,西北大学信息科学与技术学院 2012版,DAC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) 。,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1.9 用数字方法处理模拟信号的过程,西北大学信息科学与技术学院 2012版,Hr(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

9、DAC引起的高频噪声。,Ha(s) 为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；采样的作用是对滤波后的模拟信号x(t)进行自变量t的离散化，T为均匀采样间隔；ADC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据x(n)。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,H(z)表示一个DSP系统，它包含具体的数 字信号处理算法，完成对x(n)的处理；DAC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)，若系统要求输出是模拟信号，这一环节可以省去；Hr(s)表示一个模拟低通滤波，它

10、的作用是平滑DAC的输出，滤除DAC引起的高频噪声。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,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,西北大学信息科学与技术学院 2012版,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。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,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

11、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。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,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。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,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。,

12、西北大学信息科学与技术学院 2012版,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。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,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。,西北大学信息科学

13、与技术学院 2012版,三、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。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,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；,西北

14、大学信息科学与技术学院 2012版,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：回声对消、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。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,四、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

15、深的研究内容。第3类研究内容属应用。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,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）。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,（1）在通用计算机上用软件实现。软件采用高级语言编写，也可利用商

16、品化的各种DSP软件（MATLAB、SYSTEMVIEW等）。这种实现方法简单、灵活，但实时性较差，很少用于实时系统，主要用于教学或科研的前期研制阶段。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,DSP系统的实现方法：,（2）用普通单片微控制器（MCU）实现。单片机技术发展很快，功能越来越强，可以用来做一些简单信号处理，但不能用于复杂的信号处理，可以用于比较简单的控制场合，如小型嵌入系统、仪表等。 （3）用通用DSP芯片实现。DSP芯片有着MCU无法比拟的突出优点：内部硬件乘法器、流水线和多总线结构、专用DSP处理指令，具有很高的处理速度和复杂灵活的处理功能。,西北大学信息科学与技术学院 2012版,（4）用专用DSP芯片实现。市场推出的一些 有特殊用途的DSP芯片可专门用于FFT、FIR 滤波、卷积和相关等处理，其软件算法已固 化在芯片内部，使用非常方便。这种实现方 式比通用DSP速度更高，但功能比较单一， 灵活性不如通用DSP好。,西北大学信息科学与技术学院