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1、课程简介l关于数字信号处理l本课程的地位和作用数字信号处理的任务数字信号处理的优势数字信号处理的理论数字信号处理的实现l关于数字信号处理的学习绪论绪论数字信号处理（DSP）l数字信号处理，是从20世纪50年代起，随着信息学科和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。它的重要性，在各个领域的发展和应用中日益表现出来。数字信号处理（DSP）Digital Signal Processing数字信号处理Digital Signal Processor数字信号处理器数字信号处理器lDigital Signal Processing：把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处
2、理设备，用数值计算方法数值计算方法进行处理，提取有用信息，或将信号按照需要进行改善，以便于应用。例如：滤波、检测、变换、增强、估计、识别、调制/解调、编码/解码、参数提取、频谱分析等。lDigital Signal Processor： 数字信号处理器，是为了更有效地实现数字信号处理的算法，而专门设计和制作的一大类微处理微处理器器。关于DSP处理器和含DSP核的应用处理器，我们将在DSP课程里专门讨论。 l信息化的基础是数字化v数字化的核心技术之一是数字信号数字化的核心技术之一是数字信号处理处理v数字信号处理的任务，特别是实时数字信号处理的任务，特别是实时处理的任务，在很大程度上需要由处理的任
3、务，在很大程度上需要由DSP器件或以器件或以DSP为核心的为核心的ASIC/AP（Application Processor）来）来完成完成vDSP技术已成为人们日益关注的并技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术得到迅速发展的前沿技术任务：任务：从信号中提取出所需要的信息，并将其用于 实际 。1. 1. 数字信号处理的任务数字信号处理的任务例：心电监护仪：内含CPU 用于危重病房（intensive care unit，ICU）的心电自动监护仪的作用是监护病人的心电状态（同时也包括其他生理参数，如血压、呼吸等），它应能实时地显示和存储病人的心电波形，并根据心电图的异常来自动决定是否给
4、出报警。一个实际的心电监护仪由心电放大器、A/D 转换器、CPU、显示单元、存储单元、系统管理软件和心电信号处理软件所组成。心电处理软件的功能： （1） 在CPU的控制下实现心电信号的采集、显 示和存储； （2）去除噪声： 在信号采集时，身体的任一微小运动都会产生“基线漂移”，这是一种低频干扰，同时，由于肌电的存在又产生了高频的肌电噪声，由于空间电磁场的存在又使心电信号中混有50Hz的工频干扰。这些噪声不去除，就会影响下一步的信号处理。 带有高频噪声及病态失真的心电信号（3）波形检测（参数提取）： R波检测：病人的心电变形，要求99； P波检测，T波检测：幅度特别低，90； P-Q间期测量；S
5、-T段形态检测； QRS宽度检测（4）病类判别：根据检测出的参数、心脏疾病的原 理和医生的临床经验，建立起各种心律异常的数学模型并对心电信号做出判别，决定是否异常，如异常，又属于哪一类异常。这一工作即是信号处理的应用。 以上内容虽然属于生物医学工程学科的范畴，但从中可以看出数字信号处理的内容和任务。其他学科的信号处理过程和该问题类似，即大体上也包含了去噪、特征检测（或提取）和应用于实际这三个方面。 2. 2. 数字信号处理的优势数字信号处理的优势（1）. 精度高 （2）. 可重复性强 （3）. 体积小 （4）. 可靠性强（5）. 可编程：所以灵活性强数学: 微积分, 线性代数, 概率, 随机过
6、程, 数论, 近世代数现代通信原理、现代控制理论模式识别、最优化、神经网络系统辨识、 振动测试生物医学工程信号与系统, 计算机 3. 数字信号处理的理论基础发展l1. 信号抽样与采集理论;l2. 信号分析理论: Z变换变换, 离散傅里叶变换离散傅里叶变换(DFT) Hilbert （希尔伯特）变换 离散余弦变换(DCT) 离散小波变换(DWT) 快速算法理论快速算法理论(FFT) 3. 离散系统分析; 4. 离散系统设计(滤波器设计); 5. 随机信号统计分析理论; 6. 信号建模(AR, MA,ARMA) ; 7. 特征估计(自相关函数,功率谱计); 8. 实现(软件-MATLAB; 硬件-
7、 DSP); 9. 应用 (教学, 科研, 开发的前期)DSP软件包MATLAB Signal Processing Tool Box4. 数字信号处理的实现软件实现:硬件实现:CPU, MCU, DSPDSP的应用正在日益发展本课程的地位和作用Mobile phone(infrastructure and handset)Fashion handsetsDSP的典型应用一的典型应用一通信手机通信手机Smartphone and MID（Mobile Internet Device）MIDDSP的典型应用的典型应用MP3消费类电子DC/DVHDTVHome TheaterMP3GPS(Glob
8、al Position System)Air Early Warning，AEW Radar/SonarCruise missileSmart BombPilotless aircraft汽车电子中的MCU/DSPDSP的典型应用的典型应用汽车多媒体系统汽车多媒体系统汽车电子汽车电子l中国每年的汽车产量和销量已超过1000万辆，成为世界汽车大国，发展速度居世界第一。来自IC Insight的数据显示，全球平均每辆汽车中的电子器件价值从1990年的672美元提升至2004年的2132美元。预计2010年每辆汽车中的电子器件占总价值将由2001年的23%增加到35%，而用于混合动力汽车的电子器件在
9、总价值中所占比例将达50% 生物医学工程UltrasoundCT (Computed Tomography)MRI(Magnetic Resonance Imaging)Gamma knifeHearing AidWhy digital?（1）Programmability Analog system：Modify hardware design. Digital system：Modify software. Example：Analog filter, digital filter, adaptive filterWhy digital?（2）Precision Analog system
10、：component specification: resistors have a tolerance 5%; capacitors 20% or worse Digital system：ADC bits, CPU word width and algorithmWhy digital?（3）Stability Analog system：the characteristics of analog system components, resistors, capacitors and operational amplifiers will change along with temper
11、ature, humidity Digital system：will show no variation with temperature throughout their guaranteed operation range.(4) Anti-noiseWhy digital?Why digital?Amplify AAmplify BSignal generatorcomputer Acomputer B(5) RepeatabilityWhy digital?（6）VLSI (Very Large Scale Integrated circuit)尽管已经有了不少的模拟集成电路，尽管已
12、经有了不少的模拟集成电路，但其集成度、可选择性、功耗等，但其集成度、可选择性、功耗等，还是无法与数字集成电路相比；还是无法与数字集成电路相比；更何况微处理器的出现和发展，体现更何况微处理器的出现和发展，体现出更大的优越性。出更大的优越性。Why digital?(7) Error Correcting CodesData retrieval and transmission systems suffer from a number of potential forms of error.With information in a digital or binary form, we may e
13、asily build into the data stream additional “redundant” bits that are used to detect when an error has occurred.Why digital?(8) Data Transmission and StorageThe Internet, Compact Disc (CD) and Digital Video Disc (DVD) brought information based on trouble-free high-quality text, audio and video into
14、the office and home.The fidelity of the digital medium is greater than that of the analog one.Why digital?(9) Data CompressionThe information channels cost and transmission bottlenecks make compression necessary for real-time processing.With analog compression some information is lost. A typical exa
15、mple is the bandwidth limiting applied to analog telephone lines in order to multiples calls, which limits the frequency response to 3kHz.We still need analog processing（1）Real-Time Processing Analog system：Besides the delay introduced by the circuit, the processing is in real-time. Digital system：D
16、ecided by the processor speed.We still need analog processing（2）Processing very high frequency signals Analog system：may process microwave, mini-meter-wave, even light wave signals. Digital system：By the Nyquist Rule，the processing speed is limited by the S/H, A/D and processor speed.We still need a
17、nalog processing(3)The most signals in real would are analog.If we want to process these analog signals with digital signal processing system, must change them into digital form first by mixed signal processing. l几乎所有的工程技术领域都要涉及信号问题，包括电、磁、机械、热、声、光、生物医学等各种信号。如何在强噪声背景下有效地提取有用的信号及信号的特征，并将其应用于科学和技术的方方面面
18、，就是信号处理需要完成的任务，也就是本课程要向学生传授并要求他们掌握的理论和方法。关于“数字信号处理”课程l伴随着数字信号处理的发生和发展，都紧紧围绕着理论、实现和应用三个方面进行。它植根于众多学科的理论基础，其成果又应用到各个学科，成为理论与实践并重，以高新技术为特征，发展迅速，在各个学科领域具有重要地位的新兴的基础性学科。l这也就是为什么，国内外的大学，都将本课程列为必修的专业基础课程。纷纷建立数字信号处理中心或实验室，将教学、科研、人才培养紧密地结合起来，在理论上和工程实践上，都取得了丰硕的成果。关于“数字信号处理”课程l数字信号处理是理论性和工程性都很强的学科。 l业界对既掌握DSP理
19、论和方法，又掌握DSP工程技术的人才的需求，近年来爆发式地增长。l国内外各大学的电子信息类学科和专业，纷纷将数字信号处理列为必修课程，并加强了课程的建设与改革。 关于“数字信号处理”课程l传统的数字信号处理课程，大多只讨论算法的理论及其推导，较少涉及实现方法及相关的软硬件技术，和科技界和产业界的要求相去较远。l教改的途径，一是使用MATLAB等工具软件，对数字信号处理的算法作仿真；一是引入已经被工程界广泛使用的DSP处理器，指导学生完成数字信号处理算法的实现，特别是实时（Real Time）实现。 关于“数字信号处理”课程5. 关于数字信号处理的学习 作为一本课程，学好数字信号处理和学好其他课
20、程有着共同的要求。下面是几点特殊的要求： （1）特别要注意加深概念的理解，不要只停留在死记数学公式上； （2）通过应用来加深理解和记忆； 特别希望大家在学习的过程中一定要重视利用MATLAB来完成实际的信号处理任务。 （3）打好基础，循序渐进； （4）尽可能的多看一些国外的教科书及有关文献 1 S J. Orfanids. Introduction to Signal Processing. 1996; 清华大学出版社，1999 2 S K Mitra. Digital Signal Processing: A Computer Based Approach . 2001， 清华大学出版社，2
21、001 3 胡广书. 数字信号处理理论、算法与实现 （第二版），清华大学出版社，2003参考书有关期刊1.I EEE Trans. on Signal Processing;2.I EEE Trans. on Circuits and Systems;3.I EEE Trans. on Biomedical Engineering;4.Proc. of I EEE;5.Signal Processing;6.信号处理涉及信号l连续信号(analog)l离散信号(discrete time signal)l数字信号(digital signal) 离散信号 : 所有整数 : 抽样间隔 ， ：抽样
22、频率(Sampling Frequency)归一化：流程图 sensors放大器A/DDSP装置信号源D/A A/D芯片已高度集成化，将这些芯片配以一些必要的外围电路可做成不同的A/D板（又称数据采集板）。将A/D板插入普通计算机（如PC）的扩展槽中，配以相应的软件即可实现信号的抽样。A/D芯片有两个主要的参数，一是字长，二是转换速度。现在市售的A/D芯片的字长有8bit，10bit，12bit及14bit，字长越长，量化误差越小，自然，转换的精度就越高。转换速度决定了其A/D芯片的最大抽样速度，目前市售的A/D芯片的抽样速度可由几十千赫至几百兆赫。当然，字长越长，速度越高，其售价也越贵，使用者应视实际需要选用。
