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1、数字信号处理Digital Signals Processing (DSP)()()u教材:数字信号处理教程数字信号处理教程(第三版)程偑青编著(第三版)程偑青编著清华大学出版社清华大学出版社uu参考书:参考书:数字数字信号处理信号处理 冷建华等冷建华等 国防工业出版社国防工业出版社数字信号处理数字信号处理 AV奥本海姆,奥本海姆,R.W.谢弗,谢弗, 科学出版社,科学出版社,1983 离散时间信号处理离散时间信号处理 AV奥本海姆,奥本海姆,R.W.谢费,谢费, 科学出版社,科学出版社,1998 数字信号处理数字信号处理 丁玉美等丁玉美等 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社课程简介
2、基于基于Matlab的系统分析与设计的系统分析与设计-信号处理信号处理 楼顺天楼顺天 李博菡李博菡 编著编著 西安电子科大出版社西安电子科大出版社课程简介uDigital Signal Processing的研究内容的研究内容u 发展历程发展历程u 主要应用主要应用u 实现方法实现方法u DSP概述概述u 本课程的基本内容与安排本课程的基本内容与安排一、一、Digital Signal Processing的研究内容的研究内容Digital Signal Processing的内容的内容利用计算机或专用处理设备,以数值计算的方法对利用计算机或专用处理设备,以数值计算的方法对信号进行滤波、变换、
3、检测、谱分析、估计、压缩、识信号进行滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等加工处理,以达到提取信息和便于应用的目的。别等加工处理,以达到提取信息和便于应用的目的。对数字信号进行处理的基础理论对数字信号进行处理的基础理论DSP的含义的含义 Digital Signal Processors Digital Signal Processing数字信号处理器数字信号处理器课程简介信号与系统信号与系统主要解决的问题:主要解决的问题:1)连续信号及其频谱分析)连续信号及其频谱分析 2)连续时间系统的时域及频域分析)连续时间系统的时域及频域分析课程简介信信号号是是一一种种物物理理体体现现。在在信信号
4、号处处理理领领域域中中,信信号被定义为一个随机变化的物理量。号被定义为一个随机变化的物理量。例例如如:为为了了便便于于处处理理,通通常常都都使使用用传传感感器器把把这这些些真真实实世世界界的的物物理理信信号号-电电信信号号,经经处处理理的电信号的电信号-传感器传感器-真实世界的物理信号。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、扬声器如现实生活中最常见的传感器是话筒、扬声器话话筒筒(将将声声压压变变化化)-电电压压信信号号-空空气气压压力力信信号号(扬声器扬声器)复习:信号复习:信号同同一一种种信信号号,如如电电信信号号,可可从从不不同同角角度度进进行行分类:分类:(a)一维信号、
5、二维信号、矢量信号一维信号、二维信号、矢量信号(b)周期信号和非周期信号周期信号和非周期信号(c)确定性信号和随机信号确定性信号和随机信号(d)能量信号和功率信号能量信号和功率信号(e)连续信号、离散信号连续信号、离散信号(f)模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号复习:信号的分类复习:信号的分类若信号满足:若信号满足: x(t)=x(t+kT), k为正整数;为正整数; 或或 x(n)=x(n+kN) k,N皆皆为为正正整整数数,n+kN为任意整数,为任意整数,则则x(t)和和x(n)都是周期信号,周期分别为都是周期信号,周期分别为T和和N;否则就是非周期信号。否则就是非周期信号。周期信号和非
6、周期信号周期信号和非周期信号确定性信号:若若信信号号在在任任意意时时刻刻的的取取值值能能精精确确确确定定,则则称称它它为为确确定定信信号号;它它的的一一个个值值可可以以用用有有限限个个参参量量来来唯唯一一地地加加以以描描述。述。例例:直直流流信信号号:仅仅用用一一个个参参量量可可以以描描述述。阶阶跃跃信信号号:可可用用幅幅度度和和时时间间两两个个参参量量描描述述。正正弦弦波波信信号号:可可用用幅幅度度、频频率率和和相相位三个参量来描述。位三个参量来描述。随机信号:若若信信号号在在任任意意时时刻刻的的取取值值不不能能精精确确确确定定,或或说说取取值值是是随随机机的的,即即它它不不能能用用有有限限
7、的的参参量量加加以以描描述述。也也无无法法对对它它的的未未来来值值确确定定性性地地预预测测。它它只只能能通通过过统统计计学学的的方方法法来来描描述述(概概率密度函数来描述率密度函数来描述)。例例:许许多多自自然然现现象象所所发发生生的的信信号号、语语音音信信号号、图图象象信信号号、噪噪声声都都是是随随机机信信号号。它它们们具具有有幅幅度度(能能量量)随随机机性性、或或具具有有发发生生时间上的随机性或二都兼有之。时间上的随机性或二都兼有之。若信号能量若信号能量E有限,则称为能量信号;有限,则称为能量信号;若信号功率若信号功率P有限,则称为功率信号;有限,则称为功率信号;信号能量信号能量E可表示为
8、可表示为能量信号和功率信号能量信号和功率信号信号功率信号功率P可表示为可表示为周期信号及随机信号一定是功率信号;周期信号及随机信号一定是功率信号;非周期的绝对可积(和)信号一定是能量信号。非周期的绝对可积(和)信号一定是能量信号。模拟信号:指模拟信号:指时间连续、幅度连续的信号。的信号。数数字字信信号号:时间和幅度上都是离散(量量化化)的的信信号号。故故数数字字信信号号可可用用一一序序列列的的数数表表示示,而每个数又可表示为二制码的形式。而每个数又可表示为二制码的形式。x(t)tx(tn)tnx(n)n采样模数保持转换模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号系系统统:处处理理信信号号的的物物理理设
9、设备备。或或者者说说,凡凡是是能能将将信信号号加加以以变变换换以以达达到到人人们们要要求求的的各各种设备称之系统。种设备称之系统。系系统统分分类类:大大小小之之分分,一一个个大大系系统统可可细细分分为若干个小系统。为若干个小系统。实实际际上上,因因为为系系统统是是完完成成某某种种运运算算(操操作作)的的,因因而而我我们们还还可可把把软软件件编编程程也也看看成成一一种种系统的实现方法。系统的实现方法。复习:系统复习:系统按按所所处处理理的的信信号号种种类类的的不不同同可可将将系系统统分分为为四类:四类:(a)连续时间系统连续时间系统(b)离散时间系统离散时间系统(c)模拟系统模拟系统(d)数字系
10、统)数字系统信号与系统信号与系统主要解决的问题:主要解决的问题:1)连续信号及其频谱分析)连续信号及其频谱分析 2)连续时间系统的时域及频域分析)连续时间系统的时域及频域分析课程简介010020030040050060067891000.511.522.533.50501001502002500.6651.314kHz双音频电话按键双音频电话按键“2”信号的时域及幅频特性信号的时域及幅频特性1. 数字信号的频谱及快速计算数字信号的频谱及快速计算(FFT)2. 数字滤波器的设计及实现数字滤波器的设计及实现DSP课程主要解决的问题:课程主要解决的问题:课程简介二、发展历程二、发展历程起源于十七、十
11、八世纪离散数学起源于十七、十八世纪离散数学 发展可以分为发展可以分为2个阶段:个阶段: 各种模拟信号的数字化阶段各种模拟信号的数字化阶段 数字信号处理技术本身的发展阶段数字信号处理技术本身的发展阶段 动力:动力:FFT算法的出现,微电子技术的发展算法的出现,微电子技术的发展诞生于诞生于1965年,快速傅立叶变换的问世年,快速傅立叶变换的问世 (P5)课程简介五十年代:五十年代:信号处理用模拟系统来完成;信号处理用模拟系统来完成;二、发展历程二、发展历程七十年代:七十年代:成熟期。成熟期。1975年,年,A.V.Oppenheim出版了出版了 数字信号处理数字信号处理,1989、1999分别出版
12、分别出版 了两版的了两版的离散时间信号处理离散时间信号处理。DSP应用:信号先存储,后处理;应用:信号先存储,后处理; 设计模拟系统之前,先计算机仿真。设计模拟系统之前,先计算机仿真。 特点:由于没有快速算法并且计算机运算速度有特点:由于没有快速算法并且计算机运算速度有 限,因此限,因此DSP无法实时完成,无法实时完成,故故DSP未得未得 到实际应用。到实际应用。六十年代:六十年代:发展期。发展期。1965年,年,Tukey和和Cooly提出了提出了FFT。 加之计算机运算速度的提高,加之计算机运算速度的提高,DSP开始得到开始得到 实际应用。实际应用。课程简介三、主要应用三、主要应用通通信信
13、、消消费费电电子子、仪仪器器、工工业业控控制制与与自自动动化、医疗和军事等领域化、医疗和军事等领域课程简介应用用领域域应用用通用通用领域域包括数字包括数字滤波、卷波、卷积、相关、快速傅立叶、相关、快速傅立叶变换等;等;通信通信领域域程程控控交交换机机,移移动电话,调制制解解调器器,扩频通通信信/卫星星通通信信/TDMA/FDMA/CDMA,IP电话,软件无件无线电等;等;语音、音、语言、言、音音频处理理语音音编码,声声码器器,语音音识别和和合合成成,语音音增增强强,人人造造耳耳蜗,语音音邮件,数字件,数字录音系音系统,文本,文本语音音变换,hi-fi,混,混频和和编辑等;等;图像、像、图形形处
14、理理图像像压缩、增增强强、复复原原、重重建建、变换,分分割割,传输,模模式式识别(人人脸识别、数数字字识别)、人人造造视网网膜膜,电子子地地图、电子子出出版版物物、动画画等;等;消消费电子子数数字字音音频、数数字字电视、电子子玩玩具具和和游游戏、CD/VCD/DVD播播放放机机、数数字留言字留言/应答机、汽答机、汽车电子装置等;子装置等;工工业控制与控制与自自动化化机机器器人人控控制制、伺伺服服控控制制、磁磁盘控控制制、打打印印机机控控制制、发动机机控控制制、振振动控制、控制、动力系力系统监控器等;控器等;仪表表设备信号信号发生器、生器、频谱仪、自、自动化化仪器器仪表、科学表、科学仪器器设备等
15、;等;医医疗病人病人监视、超声、超声仪器、器、CT扫描、核磁共振、助听器等;描、核磁共振、助听器等;军事事雷雷达达和和声声纳处理理、导航航、全全球球定定位位系系统(GPS)、侦察察卫星星、航航空空航天航天测试、自适、自适应波束形成、波束形成、阵列信号列信号处理等理等信息系信息系统传真、数字通信和局域网、无真、数字通信和局域网、无线局域网、广播和局域网、广播和电视等;等;A、软件仿真:在通用的计算机上编程、软件仿真:在通用的计算机上编程 (MatlabSystemViewC/C+开发工具等)开发工具等) (教学、科研)(教学、科研)四、实现方法四、实现方法B、硬件实现:数字信号处理硬件设备、硬件
16、实现:数字信号处理硬件设备 (DSP芯片,芯片,ASIC,FPGA等)等)课程简介ASIC: ( Application Specific Intergrated Circuits)即专用集成电路,是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。目前用CPLD(复杂可编程逻辑器件)和FPGA(现场可编程逻辑阵列)来进行ASIC设计是最为流行的方式之一,ASIC的特点是面向特定用户的需求,品种多、批量少,要求设计和生产周期短,它作为集成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物,与通用集成电路相比具有体积更小、重量更轻、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优
17、点。 FPGA:(Field Programmable Gate Array)现现场场可可编编程程门门阵阵列列,它它是是在在PAL、GAL、PLD等等可可编编程程器器件件的的基基础础上上进进一一步步发发展展的的产产物物。它它是是作作为为专专用用集集成成电电路路(ASIC)领领域域中中的的一一种种半半定定制制电电路路而而出出现现的的,既既解决了定制电路的不足,又又克克服服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 通通用用DSP芯芯片片:内内部部带带有有乘乘法法器器,累累加加器器,采采用用流流水水线线工工作作方方式式及及并并行行结结构构,多多总总线线速速度快。配有适
18、于信号处理的指令等。度快。配有适于信号处理的指令等。目前市场上的目前市场上的DSP芯片有:芯片有:美美国国德德州州仪仪器器公公司司(TI):TMS320CX系系列列 占占有有90%还有还有AT&T公司公司dsp16,dsp32系列系列Motorola公司的公司的dsp56x,dsp96x系列系列AD公司的公司的ADSP21X,ADSP210X系列系列专专用用DSP芯芯片片:市市场场上上推推出出专专门门用用于于FFT,FIR滤波器,卷积、相关等专用数字芯片。滤波器,卷积、相关等专用数字芯片。如:如:BB公司:公司:DF17XX系列系列 MAXIM公司:公司:MAXIM27X ,MAXIM28XN
19、ational公司:公司:National-SEMI系列:系列:MF系列。系列。其其软软件件算算法法已已在在芯芯片片内内部部用用硬硬件件电电路路实实现现,使使用用者者只只需需给给出出输输入入数数据据,可可在在输输出出端端直直接接得得到到数据。数据。ADSP2106XTMS320C4XADSP21160TMS320C6701生产日期生产日期95919998运算速度运算速度120MFLOPS80MFLOPS600MFLOPS1GFLOPS主主 频频40M(25ns)80M(25ns)100M167M1024点复点复数数FFT0.46ms1.3ms96us120usDSP主要生产商主要生产商AD、T
20、I两大公司主要产品性能比较(浮点两大公司主要产品性能比较(浮点DSP)课程简介五、五、DSP概述概述1. DSP的定义的定义研究如何用数字或符号序列来表示信号以及对这些序列研究如何用数字或符号序列来表示信号以及对这些序列作处理的一门学科。作处理的一门学科。2. DSP领域的组成领域的组成信号的采集(信号的采集(A/D、抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等)、抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等)离散时间信号分析(时域及频域的分析、各种变换技术)离散时间信号分析(时域及频域的分析、各种变换技术)离散时间线性非时变(离散时间线性非时变(LTI:Linear time-invariant)系统)系统 因
21、果稳定的因果稳定的h(n)、)、H(z)、)、H(ejw)课程简介信号处理中的快速算法:信号处理中的快速算法:FFT、卷积与相关等、卷积与相关等滤波技术:滤波技术:IIR、FIR数字滤波器的设计及实现数字滤波器的设计及实现信号处理中的特殊算法:抽取、插值、反卷积、信号重建等信号处理中的特殊算法:抽取、插值、反卷积、信号重建等信号的估值:各种估值理论、相关函数与功率谱估计等信号的估值:各种估值理论、相关函数与功率谱估计等信号的建模:最常用的有信号的建模:最常用的有AR、MA、ARMA的各种模型的各种模型 简单的数字高通滤波器简单的数字高通滤波器延时延时x(n)y(n)aCRxa(t)ya(t)简
22、单的模拟高通滤波器简单的模拟高通滤波器模拟滤波系统一般由电感、电容、电阻或其它模拟器件组模拟滤波系统一般由电感、电容、电阻或其它模拟器件组成;数字滤波系统只需利用数字加、乘以常数及延时等运成;数字滤波系统只需利用数字加、乘以常数及延时等运算,即可实现与模拟系统一样的功能。算,即可实现与模拟系统一样的功能。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)x(n)y(n)3. DSP过程(过程(P3)A/DDSP xa(t) x(n) y(n)ya(t)D/A前置滤波器前置滤波器将将输输入入信信号号xa(t)中中高高于于某某一一
23、频频率率(称称折折叠叠频频率率,等等于于抽抽样样频频率率的的一一半半)的的分分量量加加以以滤除。滤除。txa(t)0A/D变换器变换器由由模模拟拟信信号号产产生生数数字字信信号号(一一个个二二进进制制流流)。其其有有两两个个过过程程:抽样和量化。抽抽样样:每每隔隔T秒秒(抽抽样样周周期期)取取出出一一次次xa(t)的的幅幅度度,此此信信号号称称为离散信号。它只表示时间点为离散信号。它只表示时间点 0 , T , 2T, nT,上上 的的 值值xa(0),xa(T),xa(2T),xa(nT).。量量化化:在在量量化化电电路路中中将将抽抽样样信信号号变变换换成成数数字字信信号号,因因为为一一般般
24、采采用用有有限限位位二二进进制制码码,所所以以它它所所表表示示的的信信号号幅幅度度就就是是有有一一定定限制的。限制的。经经过过A/D变变换换器器后后,不不但但时时间间离离散散化化了了,幅幅度度也也量量化化了了,这这种信号称为数字信号。用种信号称为数字信号。用x(n)表示。表示。数字信号处理器数字信号处理器(DSP)按按照照预预定定要要求求,在在处处理理器器中中将将信信号号序序列列x(n)进行加工处理得到输出信号进行加工处理得到输出信号y(n).ny(n)D/A变换器变换器经经过过D/A变变换换器器,将将数数字字信信号号序序列列反反过过来来变变换换成成模模拟拟信信号号,这这些些信信号号在在时时间
25、间点点0,T,2TnT,上上的的幅幅度度应应等等于于序序列列y(n)中中相应数码所代表的数值大小。相应数码所代表的数值大小。即即由由一一个个二二进进制制流流产产生生一一个个阶阶梯梯波波形形,是是形成模拟信号的第一步。形成模拟信号的第一步。后置滤波器后置滤波器把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。以以滤滤除除掉掉不不需需要要的的高高频频分分量量,生生成成所所需需的的模拟信号模拟信号ya(t).tya(t)4. DSP系统的优点(系统的优点(P5-6)(1) 具有高度的灵活性具有高度的灵活性(2) 高稳定性和高精度高稳定性和高精度(3) 便于大规模集成便于大规模集成(4)
26、 可以实现模拟系统无法实现的功能(可以实现模拟系统无法实现的功能(TDM)(5) 可以得到很高的性能指标可以得到很高的性能指标 缺点缺点 速度速度 价格价格数数字字系系统统的的性性能能主主要要决决定定于于乘乘法法器器的的各各系系数数,且且系系数数存存放放于于系系数数存存储储器器内内,只只需需改改变变存存储储的的系系数数,就就可可得得到到不不同同的的系系统统,比比改变模拟系统方便得多。改变模拟系统方便得多。灵活性大灵活性大在在模模拟拟系系统统中中,它它的的精精度度是是由由元元件件决决定定,模模拟拟元元器器件件的的精精度度很很难难达达到到10-3以以上上。而而数数字字系系统统中中,17位位字字长长
27、就就可可达达10-5精精度度,所所以以在高精度系统中,有时只能采用数字系统。在高精度系统中,有时只能采用数字系统。精度高精度高数数字字系系统统:只只有有两两个个信信号号电电平平0,1受受噪噪声声及及环境条件等影响小。环境条件等影响小。模模拟拟系系统统:各各参参数数都都有有一一定定的的温温度度系系数数,易易受受环环境境条条件件,如如温温度度、振振动动、电电磁磁感感应应等等影影响,产生杂散效应甚至振荡等响,产生杂散效应甚至振荡等且且数数字字系系统统采采用用大大规规模模集集成成电电路路,其其故故障障率率远远小于采用众多分立元件构成的模拟系统。远远小于采用众多分立元件构成的模拟系统。高稳定性数数字字部
28、部件件:高高度度规规范范性性,便便于于大大规规模模集集成成,大大规规模模生生产产,对对电电路路参参数数要要求求不不严严,故故产产品品成品率高。成品率高。例例:(尤尤其其)在在低低频频信信号号:如如地地震震波波分分析析,需需要要过过滤滤几几Hz几几十十Hz的的信信号号,用用模模拟拟系系统统处处理理其其电电感感器器、电电容容器器的的数数值值,体体积积,重重量量非非常常大大,且且性性能能亦亦不不能能达达到到要要求求,而而数数字字信信号号处处理理系系统统在在这这个个频频率率处处却却非非常常优优越越(显显示示出出体体积,重量和性能的优点)。积,重量和性能的优点)。易于大规模集成易于大规模集成利用利用DS
29、P同时处理几个通道的信号。同时处理几个通道的信号。某某一一路路信信号号的的相相邻邻两两抽抽样样值值之之间间存存在在很很大大的的空空隙隙时时间间,因因而而在在同同步步器器的的控控制制下下,在在此此时时间间空空隙隙中中送送入入其其他他路路的的信信号号,而而各各路路信信号号则则利利用用同同一一DSP,后后者者在在同同步步器器的的控控制制下下,算算完完一一路路信信号号后后,再再算算另另一一路路信信号号,因因而而处理器运算速度越高,能处理的信道数目也就越多。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123n123n时分复用时分复用例:对信号进行频谱分析例:对信号进行频谱分析模模
30、拟拟频频谱谱仪仪在在频频率率低低端端只只能能分分析析到到10Hz以以上上频频率,且难于做到高分辨率率,且难于做到高分辨率(也即足够窄的带宽也即足够窄的带宽)。但但在在数数字字的的谱谱分分析析中中,已已能能做做到到10-3Hz的的谱谱分分析。析。又又例例:有有限限长长冲冲激激响响应应数数字字滤滤波波器器,则则可可实实现现准准确确的的线线性性相相位位特特性性,这这在在模模拟拟系系统统中中是是很很难难达到的。达到的。可获得高性能指标可获得高性能指标数数字字系系统统的的速速度度还还不不算算高高,因因而而不不能能处处理理很很高高频频率率的的信信号号。(因因为为抽抽样样频频率率要要满满足足奈奈奎斯特准则定
31、理奎斯特准则定理)另另外外,数数字字系系统统的的设设计计和和结结构构复复杂杂,价价格格较较高高,对对一一些些要要求求不不高高的的应应用用来来说说,还还不不宜使用。宜使用。局限性局限性六六、本课程的基本内容、本课程的基本内容与安排与安排数字信号处理数字信号处理离散时间信号及其运算离散时间信号及其运算变换变换离散时间系统及其设计离散时间系统及其设计离散时间信号离散时间信号离散时间信号离散时间信号的卷积和的卷积和滤波器的理论、滤波器的理论、IIR、FIR数字滤数字滤波器的设计波器的设计课程简介DTFT、DFT、ZT、FFT六六、本课程的基本内容、本课程的基本内容与安排与安排数字信号处理数字信号处理数
32、数 字字 信信 号号数数 字字 系系 统统运算运算表示表示表表 示示结结 构构时域时域频域频域IIR相关相关DTFTDFTFFTh(n)H(k)FIR滤波器设计滤波器设计频域频域卷积卷积时域时域课程简介1.离散时间信号与系统(离散时间信号与系统(Ch1)2. Z变换与离散时间傅里叶变换(变换与离散时间傅里叶变换(Ch2)3.离散付里叶变换离散付里叶变换DFT(Ch3)4.快速付里叶变换快速付里叶变换FFT(Ch4)5.数字滤波器数字滤波器(DF)的结构和实现方法(的结构和实现方法(Ch5)6. IIR数字滤波器的设计(数字滤波器的设计(Ch6)7. FIR数字滤波器的设计(数字滤波器的设计(C
33、h7)六六、本课程的基本内容、本课程的基本内容与安排与安排课程简介必备的基础知识高等数学、复变函数、信号与系统高等数学、复变函数、信号与系统uu函数;度与弧度的概念;有理函数;幂函数函数;度与弧度的概念;有理函数;幂函数和指数函数积分和指数函数积分uu分贝;十进制、二进制和十六进制分贝;十进制、二进制和十六进制uu复数、复平面、极坐标;复数、复平面、极坐标;uu求和运算求和运算学习目标建立数字信号与系统的概念建立数字信号与系统的概念掌握数字信号与系统及处理的基本理论掌握数字信号与系统及处理的基本理论理理论论与与实实践践相相结结合合,将将基基本本理理论论用用C/C+语语言言进进行行实实现现,应应用用Matlab体体会会数数字字信信号号基基本本处处理理的的过过程程与与功功能能,并并进进行行基基本本的的仿仿真开发。真开发。