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1、数字信号处理数字信号处理Enjoy Science第第1章章 数字信号数字信号处理的概念理的概念简单地地说，数数字字信信号号处理理就就是是用用数数值计算算的的方方式式对信信号号进行行处理理的的理理论和和技技术，它它的的英英文文原原名名叫叫digital signal processing，简称称DSP。1.1 什么叫数字信号什么叫数字信号处理理数字信号数字信号处理由理由数字、信号和数字、信号和处理理三个三个单词组成。成。1.1.1 数字信号的概念数字信号的概念信信号号是是指指那那些些代代表表一一定定意意义的的现象象，比比如如声声音音、动作作、旗旗语、标志志、光光线等等，它它们可可以以用用来来传
2、递人人们要要表表达达的事情。的事情。数字信号处理数字信号处理Enjoy Science所所有有的的信信号号中中，电信信号号是是最最常常见的的，因因为它它能能让机机器器或或电路路处理。理。信信号号分分为连续信信号号和和离离散散信信号号。让我我们从从这个个电压信信号的波形号的波形来来理解理解连续、离散、数字等概念，、离散、数字等概念，进而理解而理解连续时间信号、离散信号、离散时间信号和数字信号。信号和数字信号。用用电路路的的方方式式来来表表示示数数字字信信号号时，常常见的的有有十十进制制的的方法和二方法和二进制的方法。制的方法。 图图1.1数字信号处理数字信号处理Enjoy Science处理理是
3、是指指人人们为了了某某种种目目的的，用用工工具具对事事物物进行行一一系系列列操操作作，改改变事事物物的的位位置置、形形状状、性性质和和功功能能。铁匠匠为了了改改变铁块的的硬硬度度和和韧性性，把把烧红的的铁块投投入入水水中中或或油油中中，这是是热处理理。秘秘书对校校长的的信信件件所所述述的的事事情情进行安排或解决，称行安排或解决，称为处理信件或信件理信件或信件处理。理。有有些些信信号号处理理的的速速度度是是要要求求按按照照信信号号的的实际变化化时间进行行，这种种信信号号处理理称称为实时信信号号处理理，它它对机机器器的的速度要求速度要求较高。高。数数字字信信号号处理理也也就就是是信信号号的的数数字
4、字处理理，它它的的专业含含义是是用用计算算机机对二二进制制表表示示的的信信号号，进行行一一系系列列的的数数学学计算，算，实现人人们的要求。的要求。数数字字信信号号处理理是是这么么一一门学学科科，它它介介绍怎怎样用用数数字字表表示示信信号号，怎怎样用用数数学学描描述述信信号号处理理，怎怎么么处理理信信号号最最快、最便宜和最安全。快、最便宜和最安全。数字信号处理数字信号处理Enjoy Science处理理的的概概念念，可可以以从从生生活活、工工作作、设备等等方方面面理理解解，也也可可以以从从时间上理解，上理解，还可可以以从效率上理解。从效率上理解。例如例如，我我们应该如何存如何存储一个正弦波信号。
5、一个正弦波信号。存存储的的方方法法有有多多种种：第第一一种种是是直直接接将将它它存存储在在磁磁带上上，第第二二种种是是间隔隔一一个个时间测量量它它一一次次再再将将测量量结果果存存在在磁磁带上上，第第三三种种是是将将间隔隔测量量的的信信号号变成成二二进制制再再存存在在磁磁带上上，第第四四种种是是将将该信信号号的的基基本本成成分分计算算出出来来再再保存在磁保存在磁带上。上。前前三三种种方方法法比比较简单，但但不不属属于于数数字字信信号号处理理；第第四四种种方方法法比比较复复杂，因因为人人或或机机器器是是不不可可能能知知道道收收到到的的信信号号具具有有什什么么特特征征，要要用用科科学学的的方方法法才
6、才能能知知道道信信号号的的基本成分。基本成分。 数字信号处理数字信号处理Enjoy Science又又例例如如，有有一一张磁磁悬浮浮列列车车厢的的发霉霉照照片片，修修复复这张照照片片的的办法法有有多多种种：第第一一是是手手工工用用钢笔笔对它它修修复复；第第二二是是用用毛毛笔笔模模仿仿原原始始照照片片画画一一张；第第三三是是重重新新拍拍照照一一次次；第第四四是是把把照照片片看看成成是是由由许多多小小点点组成成的的，把把每每个个点点的的浓淡淡变成成数数字字信信号号并并对这些些点点信信号号做做某某种种处理理，构成一幅新的构成一幅新的图画。画。第第四四种种办法法比比较复复杂，因因为一一幅幅图像像是是由
7、由点点组成成的的，一一幅幅图像像的的点点有有非非常常之之多多，需需要要计算算机机才才能能完完成成处理理，属于数字信号属于数字信号处理。理。图图1.21.4数字信号处理数字信号处理Enjoy Science1.1.2 数字信号数字信号处理的来理的来历处理信号的方式的理信号的方式的发展展历程程大体表大体表现为：（1）电子管子管电路，路，（2）电子子电路，路，（3）模）模拟电路，路，（4）数字）数字电路，路，（5）通用）通用计算机，算机，（6）专用用计算机。算机。数字信号处理数字信号处理Enjoy Science1.1.3 数字信号数字信号处理系理系统的的结构构大大部部分分信信号号的的最最初初形形态
8、是是我我们常常见的的事事物物形形态，为了了测量量它它们和和处理理它它们，我我们常常用用传感感器器把把它它们的的特特征征转换成成电信信号号，等等到到这些些电信信号号处理理完完后后再再把把它它们转变为我我们能看能看见、能听、能听见或能利用的形或能利用的形态。数数字字信信号号处理理前前后后需需要要一一些些辅助助电路路，它它们和和数数字字信信号号处理理器器构构成成一一个个系系统。下下图是是典典型型的的数数字字信信号号处理理系系统。图图1.5数字信号处理数字信号处理Enjoy Science1.1.4 数字信号数字信号处理的特点理的特点从从数数字字信信号号和和计算算机机的的角角度度观察察，容容易易得得到
9、到数数字字信信号号处理的特点：理的特点：（1）处理理精精度度高高，它它的的字字长通通常常有有16比比特特，它它们可可以以达到达到1/216的精度；的精度； （2）改改变功功能能灵灵活活，数数字字信信号号处理理器器处理理信信号号的的功功能能是由数学方程的系数和是由数学方程的系数和计算机的程序决定；算机的程序决定；（3）性性能能稳定定，数数字字信信号号处理理器器的的数数字字状状态是是由由高高电平平和和低低电平平两两种种状状态组成成，器器件件的的误差差很很难影影响响这种种数字的工作；数字的工作；数字信号处理数字信号处理Enjoy Science（4）效效率率高高，对于于变化化比比较慢慢的的信信号号，
10、数数字字信信号号处理理器器可可以以利利用用处理理完完一一个个信信号号样本本的的空空余余时间去去处理理另另外外的的信信号号，达达到到一一个个数数字字信信号号处理理器器可可以以同同时处理理多多个信号的效果；个信号的效果；（5）制制作作成成本本低低，数数字字信信号号处理理器器芯芯片片就就像像是是通通用用元元件，可以件，可以进行大批量生行大批量生产；（6）功功能能强大大，对于于我我们要要处理理的的问题，只只要要能能把把它它们转化化为数数学学表表达达式式，把把它它们编写写为程程序序、存存入入数数字字信信号号处理理器器的的存存储器器，数数字字信信号号处理理器器就就能能完完成成这种种处理任理任务；（7）学学
11、习和和研研制制的的门槛高高，数数字字信信号号处理理是是一一门面面向向应用用的的数数学学理理论学学科科，涉涉及及我我们熟熟悉悉的的时间领域域和和我我们陌陌生生的的频率率领域域，还有有数数字字计算算机机结构构和和编写写程程序序技巧技巧。数字信号处理数字信号处理Enjoy Science1.2 数字信号数字信号处理有什么用理有什么用东西西多多了了需需要要整整理理。信信号号也也是是一一样，对它它处理理就就能能达达到我到我们希望的目的。希望的目的。1.2.1 信号信号为什么要什么要处理理从从生生活活看看，家家里里的的报纸、纸箱箱、盒盒子子多多了了，就就要要处理理废纸。从工作看，从工作看，从抽象看，从抽象
12、看，从信号看。从信号看。数字信号处理数字信号处理Enjoy Science1.2.2 数字信号数字信号处理的理的应用用领域域数字信号数字信号处理理应用涉及的用涉及的领域很广，此域很广，此处列列举一二。一二。（1）通信）通信领域域回回升升抵抵消消的的应用用。回回声声存存在在电话的的通通话中中，当当你你打打电话时，话音音信信号号经过线路路传输到到对方方，如如果果线路路的的阻阻抗抗不不匹匹配配，信信号号到到达达对方方时将将有有一一部部分分信信号号沿沿线路路反反射回来，成射回来，成为回声。回升抵消的原理回声。回升抵消的原理图如下如下图图1.6数字信号处理数字信号处理Enjoy Science（4）语音
13、和声音音和声音处理理领域域声声音音探探测的的应用用。在在检修修埋埋藏藏在在地地下下深深处的的输油油管管或或水水管管时，准准确确地地测定定输油油管管或或水水管管的的裂裂口口位位置置，可可以以避免全部管避免全部管线开挖，减小开挖，减小维修的工作量。修的工作量。图图1.12数字信号处理数字信号处理Enjoy Science根根据据是是管管道道裂裂口口处的的液液体体流流动的的摩摩擦擦力力较大大，其其摩摩擦擦声声会会沿沿着着管管道道向向两两端端传播播。我我们在在怀疑疑有有裂裂口口的的管管线的的两两端端安安放放声声音音传感感器器，它它是是把把物物理理量量转变成成电量量的的器器件件，可可以以拾拾取取这两两个
14、个摩摩擦擦声声信信号号x(t)和和y(t)。利利用用互互相相关关函函数数能能辨辨别两两个个信信号号相相同同之之处的的本本领，对两两个个摩摩擦擦声声信信号号做做互互相相关关函函数数的的运运算算，可可以以算算出出x(t)和和y(t)之之间最最相相像像的的两两段段信信号号在在时间上上的的距距离离td。根根据据速速度度、时间和和距距离离的的关关系系，裂裂口口距距离离中中间点点的的间隔隔s=vtd/2，式中式中v是声音沿管道是声音沿管道传播的速度。播的速度。 数字信号处理数字信号处理Enjoy Science（5）图形和形和图像像处理理领域域图像像增增强的的应用用。肉肉眼眼看看不不清清楚楚的的照照片片，
15、感感光光器器件件却却能能感感应出出来来，灵灵敏敏的的感感光光器器件件能能精精确确地地测量量物物体体表表面面的的明明暗暗程程度度和和色色彩彩偏偏差差。利利用用数数学学公公式式对照照片片像像素素的的数数值进行行某某种种类型型的的加加工工，可可以以获得得某某种种希希望望的的图像像效效果果。图1.141.15是是用用计算算机机调整整照照片片图像像层次次的的例例子。子。图图1.141.15数字信号处理数字信号处理Enjoy Science1.2.3 数字信号数字信号处理的理的应用前景用前景数数字字信信号号处理理有有许多多的的优点点。随随着着计算算机机技技术和和微微电子子技技术的的进步步，数数字字信信号号
16、处理理得得到到迅迅速速发展展，同同时也也推推动各行各各行各业的的发展。展。手手机机的的普普及及使使用用就就是是一一个个范范例例。刚开开始始时手手机机是是一一个个非非常常昂昂贵的的商商品品，现在在已已成成了了一一个个普普通通的的商商品品。手手机机在在促促进信信息息产业和和它它的的相相关关配配件件产业迅迅速速发展展的的同同时，还增加了人增加了人们之之间的的联系、增加信息的流通。系、增加信息的流通。人人们处理理的的事事情情越越多多、对事事情情的的要要求求越越高高，就就越越需需要要深深入入了了解解事事物物变化化的的规律律，并并充充分分利利用用事事物物变化化的的本本质。因因为数数字字信信号号处理理具具有有功功能能多多、应用用广广泛泛、使使用用灵灵活活等等优点点，它它能能为科科学学处理理信信号号、处理理事事务等等方方面面提提供供优秀秀的的理理论，为制制造造业提提供供良良好好的的生生产机机会会，为社会活社会活动提供科学的工作方式。提供科学的工作方式。
