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1、S0105102Q 2013秋授课教师：马永奎电子与信息技术工程学院Yk_数字信号处理数字信号处理2024/9/151上课及考核方式上课及考核方式本课程为必修课，期末采用闭卷考试本课程为必修课，期末采用闭卷考试共计共计9周，周，36课时课时其中讲授其中讲授32学时，实学时，实验验4学时学时,讲评课程设计讲评课程设计教材和参考书教材和参考书l离散时间信号处理离散时间信号处理，美美A.V.奥本海姆，西安交通奥本海姆，西安交通大学出版社大学出版社.l数字信号处理教程数字信号处理教程(第二版）第二版），数字信号处理习题，数字信号处理习题解答，程佩青，清华大学出版社解答，程佩青，清华大学出版社l数字信号
2、处理使用数字信号处理使用MATLAB,维纳维纳.K.恩格尔恩格尔约翰约翰.G.普罗克斯普罗克斯,刘树棠译，西安交通大学出版社刘树棠译，西安交通大学出版社.l数字信号处理数字信号处理，M.H.海因斯海因斯，张建华等译，张建华等译，科学出版社科学出版社2024/9/153助教信息助教信息l唐唐舒：舒：tangshu_杨小龙：杨小龙：xiaolongyang_2024/9/154绪论绪论2024/9/155第一章第一章 绪论绪论n本章具有综述和概论的性质，内容比较本章具有综述和概论的性质，内容比较广泛但不深入。广泛但不深入。n本章是从数字信号处理整个学科领域的本章是从数字信号处理整个学科领域的广度来
3、介绍该学科的概貌，包括学科范广度来介绍该学科的概貌，包括学科范围、发展历史和动态、实现方法和应用围、发展历史和动态、实现方法和应用领域，而本书的内容仅涉及数字信号处领域，而本书的内容仅涉及数字信号处理学科中的基础知识。理学科中的基础知识。是是20世纪世纪60年代，随着信息学科和计算机学科的年代，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。它的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。重要性日益在各个领域的应用中表现出来。 数字信号处理是把数字信号处理是把信号用数字或符号表示成信号用数字或符号表示成序列序列，通过计算机或通用（专用）信号处
4、理设备，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用数字的数值计算方法处理（例如：滤波、变换、例如：滤波、变换、增强、估计、识别等）增强、估计、识别等），达到提取有用信息便于达到提取有用信息便于应用的目的。应用的目的。一一数字信号处理数字信号处理什么是数字信号处理？什么是数字信号处理？n凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所进行的所进行的一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算。n例如：例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等滤波、检测、参数提取、频谱分析等。n对于对于DSP:狭义理解可为狭义理解可为Digital Si
5、gnal Processor 数字信号处理器。广义理解可为数字信号处理器。广义理解可为Digital Signal Processing 译为数字信号处理技术。在此我们讨译为数字信号处理技术。在此我们讨论的论的DSP的概念是指广义的理解。的概念是指广义的理解。二二、信号、系统和信号处理信号、系统和信号处理（复习）（复习）1.信号n信号是一种物理体现。在信号处理领域中，信号信号是一种物理体现。在信号处理领域中，信号被定义为一个随机变化的物理量。被定义为一个随机变化的物理量。n例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这些例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这些真实世界的物理信号真实世界的物理信号-
6、电信号，经处理的电信电信号，经处理的电信号号-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 话筒话筒(将声压变化将声压变化)-电压信号电压信号-空气压力信号空气压力信号(扬声器扬声器)（1）信号的最基本的参数）信号的最基本的参数l频率和幅度n3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航潜水艇导航)甚低频甚低频n30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇潜水艇通信通信)低频低频n3003000kHz:Medium frequency(调幅广播调幅广播)中频中频
7、n3-30MHz:High frequency(HF)(无线电爱好者，国际广播，军无线电爱好者，国际广播，军事通信事通信 无绳电话，电报，传真无绳电话，电报，传真)高频高频n30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频调频FM,甚高频电视甚高频电视)n0.33GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信雷达，微波，个人通信)超高频超高频n频率低频率低20Hz范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，能被感觉到。大，能被感觉到。(处于处于VLF V
8、ery low frequency)甚低频甚低频n频率频率20Hz20KHz称为声波称为声波,Low frequency (处于处于LF)低频低频n频率频率20KHz称为超声波称为超声波 ，具有方向性，可以成束，具有方向性，可以成束(处于处于LF)（2）信号分类）信号分类l同一种信号，如电信号，可从不同角度进行分类：（a）一维信号、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单
9、词单词Away256Hz 音叉信号音叉信号2024/9/1512音频信号举例音频信号举例数字滤波举例数字滤波举例2024/9/1513CEG基频基频CE基频基频C基频基频和弦和弦CEG虎鲸的声音虎鲸的声音2024/9/1514脑电图脑电图(EEG)音频信号举例音频信号举例2024/9/1515黑白图像黑白图像（二维信号）（二维信号）图像信号举例图像信号举例彩色图像彩色图像（三通道二维信号）（三通道二维信号）2024/9/1516图像信号举例图像信号举例黑白视频信号黑白视频信号（三维信号）（三维信号）2024/9/1517视频信号举例视频信号举例彩色视频信号彩色视频信号（三维三通道信号）（三维三
10、通道信号）n系统：处理信号的物理设备。或者说，凡是能系统：处理信号的物理设备。或者说，凡是能将信号加以变换以达到人们要求的各种设备称将信号加以变换以达到人们要求的各种设备称之。之。n系统分类：大小之分，一个大系统可细分为若系统分类：大小之分，一个大系统可细分为若干个小系统。干个小系统。n实际上，因为系统是完成某种运算（操作）的，实际上，因为系统是完成某种运算（操作）的，因而我们还可把软件编程也看成一种系统的实因而我们还可把软件编程也看成一种系统的实现方法。现方法。2、系统、系统（1）系统分类）系统分类n按所处理的信号种类的不同可将系统分按所处理的信号种类的不同可将系统分为四类：为四类：（a）连
11、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）数字系统数字系统(1)信号处理的内容信号处理的内容n滤波滤波n变换变换n检测检测n谱分析谱分析n估计估计n压缩压缩n识别识别 等一系列的加工处理。等一系列的加工处理。2024/9/1521l对于图像（二维信号），低频部分时指图对于图像（二维信号），低频部分时指图像中变化缓慢的部分，高频部分对于边缘像中变化缓慢的部分，高频部分对于边缘或突变部分。或突变部分。数字滤波器是由一系列滤波器系数定义的，只需要数字滤波器是由一系列滤波器系数定义的，只需要简单改变滤波器系数就可以完成滤波器特性的修改。简单改变滤波器系数就可以完成
12、滤波器特性的修改。高频噪声滤除：高频噪声滤除：数字滤波举例数字滤波举例（2）数字信号处理引入）数字信号处理引入n多数科学和工程中遇到的是模拟信号。多数科学和工程中遇到的是模拟信号。n以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。n模拟信号处理缺点：难以做到高精度，受环境模拟信号处理缺点：难以做到高精度，受环境影响较大，可靠性差，且不灵活等。影响较大，可靠性差，且不灵活等。n随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展，加之从展，加之从60年代末以来数字信号处理理论和年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理
13、信号，技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。n随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。理已成为一门极其重要的学科和技术领域。抗混叠抗混叠滤波器滤波器A/D变换器变换器数字信号数字信号处理器处理器D/A变换器变换器抗镜像抗镜像滤波器滤波器模拟模拟xa(t)模拟模拟ya(t)x(n)y(n)数字信号处理系统的基本组成数字信号处理系统的基本组成采样采样量化量化转换为模拟电平转换为模拟电平零阶保持零阶保持ADCDACDSP2024/9/1523
14、2024/9/1524实际数字信号处理系统实际数字信号处理系统n实际系统并不一定要包括它的所有框图。实际系统并不一定要包括它的所有框图。n如有些系统只需数字输出，可直接以数字形式如有些系统只需数字输出，可直接以数字形式显示或打印，就不需要显示或打印，就不需要D/A变换器；变换器；n另一些系统的输入就是数字量，因而就不需要另一些系统的输入就是数字量，因而就不需要A/D变换器；变换器；n纯数字系统则只需要数字信号处理器这一核心纯数字系统则只需要数字信号处理器这一核心即可。即可。四、数字信号处理的学科概貌四、数字信号处理的学科概貌1.数字信号处理开端n在国际上一般把在国际上一般把1965年由年由Co
15、oley-Turkey提出提出快速付里叶变换快速付里叶变换(FFT)的问世，作为数字信号的问世，作为数字信号处理这一学科的开端。处理这一学科的开端。n而它的历史可以追溯到而它的历史可以追溯到17世纪世纪-18世纪，也即世纪，也即牛顿和高斯的时代。牛顿和高斯的时代。2.数字信号处理领域的理论基础数字信号处理领域的理论基础n数字信号处理的基本工具：微积分，概率统计，数字信号处理的基本工具：微积分，概率统计，随机过程，高等代数，数值分析，近代代数，随机过程，高等代数，数值分析，近代代数，复杂函数。复杂函数。n数字信号处理的理论基础：离散线性变换数字信号处理的理论基础：离散线性变换(LSI)系统理论，
16、离散付里叶变换系统理论，离散付里叶变换(DFT)。 3.“数字信号处理数字信号处理”又成为一些学科的理论基础又成为一些学科的理论基础n在学科发展上，数字信号处理又和最优控制，在学科发展上，数字信号处理又和最优控制，通信理论，故障诊断等紧紧相连，成为人工智通信理论，故障诊断等紧紧相连，成为人工智能，模式识别，神经网络，数字通信等新兴学能，模式识别，神经网络，数字通信等新兴学科的理论基础。科的理论基础。4、数字信号处理学科内容、数字信号处理学科内容l信号的采集信号的采集：包括包括A/D，D/A技术技术、抽样、抽样定理、定理、量化噪声理论等量化噪声理论等l离散信号分析离散信号分析：离散时间信号时域及
17、频：离散时间信号时域及频域分析、离散付里叶变换（域分析、离散付里叶变换（DFT）理论理论l离散系统分析离散系统分析l信号处理的快速算法信号处理的快速算法:谱分析与快速付里谱分析与快速付里叶变换（叶变换（FFT），快速卷积与相关算法），快速卷积与相关算法2024/9/1529数字信号处理学科内容数字信号处理学科内容l滤波技术滤波技术l信号的估计信号的估计:各种估值理论、相关函数与功率各种估值理论、相关函数与功率谱估计谱估计l信号的压缩信号的压缩:包括语音信号与图象信号的压缩包括语音信号与图象信号的压缩l信号的建模信号的建模:包括包括AR，MA，ARMA等各种模等各种模型型l其他特殊算法其他特殊算
18、法:同态处理、抽取与内插、信号同态处理、抽取与内插、信号重建等重建等l数字信号处理的实现数字信号处理的实现l数字信号处理的应用数字信号处理的应用2024/9/1530五、五、数字信号处理实现方法数字信号处理实现方法l1.采用大、中小型计算机和微机采用大、中小型计算机和微机:工作站和微机上各厂家的数字信号软件，如有各种图象压缩和解压软件l2.用单片机用单片机:可根据不同环境配不同单片机，其能达实时控制，但数据运算量不能太大2024/9/1531数字信号处理实现方法数字信号处理实现方法l3.利用通用利用通用DSP芯片芯片:DSP芯片较之单片机有着更为突出优点。如内部带有乘法器，累加器，采用流水线工
19、作方式及并行结构，多总线速度快。配有适于信号处理的指令(如FFT指令)等。 美国德州仪器公司Texas Instrument（IT）， Analog Devices ，Lucent ， Motorola ，AT&T等公司都有生产l4.利用特殊用途的利用特殊用途的DSP芯片芯片:市场上推出专门用于FFT，FIR滤波器，卷积、相关等专用数字芯片。其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使用者只需给出输入数据，可在输出端直接得到数据2024/9/1532l用通用的可编程的数字信号处理器实现法用通用的可编程的数字信号处理器实现法是目是目前重要的数字信号处理实现方法，它即有硬件实前重要的数字信号处理实现方
20、法，它即有硬件实现法实时的优点，又具有软件实现的灵活性优点现法实时的优点，又具有软件实现的灵活性优点2024/9/15332024/9/15342024/9/1535红色是红色是1GHz苹果苹果A5处理器，处理器，512MB移动移动DRAM内存内存橙色是橙色是ToshibaTH58NVG7D2FLA8916GB闪存式存储器闪存式存储器黄色是黄色是Apple343S0542，类似一代产品上的，类似一代产品上的DialogSemi电源配置芯片电源配置芯片蓝色是蓝色是TexasInstrumentsCD3240B0触控屏幕线驱动器触控屏幕线驱动器绿色是绿色是S6T2MLCN33C50V电源管理芯片电
21、源管理芯片2024/9/1536六、六、数字信号处理的特点与模拟系统与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有如下特点：相比，数字系统具有如下特点：在模拟系统中，它的精度是由元件决定，模拟在模拟系统中，它的精度是由元件决定，模拟元器件的精度很难达到元器件的精度很难达到10-3以上。而数字系统中，以上。而数字系统中，17位字长就可达位字长就可达10-5精度，所以在高精度系统中，精度，所以在高精度系统中，有时只能采用数字系统。有时只能采用数字系统。1、精度高、精度高2、可靠性高、可靠性高3、灵活性大、灵活性大4、易于大规模集成、易于大规模集成5、时分复用、时分复用6、可获得高性能指标、可获得高性能指标
22、7、二维与多维处理、二维与多维处理数字系统：数字系统：只有两个信号电平只有两个信号电平0，1受噪声及环境受噪声及环境条件等影响小。条件等影响小。模拟系统：模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受环各参数都有一定的温度系数，易受环境条件，如温度、振动、电磁感应等影响，产生境条件，如温度、振动、电磁感应等影响，产生杂散效应甚至振荡等杂散效应甚至振荡等 且数字系统采用大规模集成电路，其故障率远且数字系统采用大规模集成电路，其故障率远远小于采用众多分立元件构成的模拟系统。远小于采用众多分立元件构成的模拟系统。数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且系数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且系数存放
23、于系数存储器内，只需改变存储的系数，就数存放于系数存储器内，只需改变存储的系数，就可得到不同的系统，比改变模拟系统方便得多可得到不同的系统，比改变模拟系统方便得多数字部件数字部件：高度规范性，便于大规模集成，大规：高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，对电路参数要求不严，故产品成品率高。模生产，对电路参数要求不严，故产品成品率高。例：例：(尤其尤其)在低频信号：如地震波分析，需要过滤在低频信号：如地震波分析，需要过滤几几Hz几十几十Hz的信号，用模拟系统处理其电感器、的信号，用模拟系统处理其电感器、电容器的数值，体积，重量非常大，且性能亦不电容器的数值，体积，重量非常大，且性能亦不能达到要求
24、，而数字信号处理系统在这个频率处能达到要求，而数字信号处理系统在这个频率处却非常优越却非常优越(显示出体积，重量和性能的优点。显示出体积，重量和性能的优点。利用利用DSP同时处理几个通道的信号。同时处理几个通道的信号。某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙时间，因而在同步器的控制下，在此时间空隙中时间，因而在同步器的控制下，在此时间空隙中送入其他路的信号，而各路信号则利用同一送入其他路的信号，而各路信号则利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信号后，再，后者在同步器的控制下，算完一路信号后，再算另一路信号，因而处理器运算速度越高，能处算另一
25、路信号，因而处理器运算速度越高，能处理的信道数目也就越多。理的信道数目也就越多。例：对信号进行频谱分析例：对信号进行频谱分析模拟频谱仪在频率低端只能分析到模拟频谱仪在频率低端只能分析到10Hz以上频以上频率，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)。但在数字的谱分析中但在数字的谱分析中,已能做到已能做到10-3Hz的谱分析。的谱分析。又例：有限长冲激响应数字滤波器，则可实现又例：有限长冲激响应数字滤波器，则可实现准确的线性相位特性，这在模拟系统中是很难准确的线性相位特性，这在模拟系统中是很难达到的。达到的。利用庞大的存储单元，可以存储一帧或数帧图象信利用庞大
26、的存储单元，可以存储一帧或数帧图象信号，实现二维甚至多维信号包括二维或多维滤波，号，实现二维甚至多维信号包括二维或多维滤波，二维及多维谱分析等。二维及多维谱分析等。局限性局限性n数字系统的速度还不算高，因而不能处理很高频率的数字系统的速度还不算高，因而不能处理很高频率的信号。信号。(因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理)n另外，数字系统的设计和结构复杂，价格较高，对一另外，数字系统的设计和结构复杂，价格较高，对一些要求不高的应用来说，还不宜使用。些要求不高的应用来说，还不宜使用。七、数字信号处理的应用领域七、数字信号处理的应用领域n自自20世纪世纪60年代以来，
27、数字信号处理的应用已年代以来，数字信号处理的应用已成为一种明显的趋势，这与它突出优点分不开成为一种明显的趋势，这与它突出优点分不开的。的。n数字信号处理大致可分为：数字信号处理大致可分为：n信号分析信号分析n信号滤波信号滤波n语音处理语音处理n语音信号分析语音信号分析 n语音合成语音合成 n语音识别语音识别 n语音增强语音增强n语音编码语音编码 n图像处理图像处理n通信通信 n电视电视 n雷达雷达 n声纳声纳 n有源声纳信号处理有源声纳信号处理 n无源声纳信号处理无源声纳信号处理 n地球物理学地球物理学n生物医学信号处理生物医学信号处理n音乐音乐n其它领域其它领域 n地球物理学地球物理学n生物
28、医学信号处理生物医学信号处理n音乐音乐n其它领域其它领域 DSP Solution通信通信移动电话移动电话 2024/9/1543测试测试/ /测量测量医疗诊断医疗诊断 2024/9/1544军事应用雷达军事应用雷达 2024/9/1545Digital Camera Digital CameraHome Theater DVD(Digital Video Disc)GPS(Global Position System) Cruise missileSmart bomb from F117Pattern recognization Fingerprint distinguish 八、八、数字信
29、号处理学科的发展历史数字信号处理学科的发展历史n数字信号处理是一个古老的学科。数字信号处理是一个古老的学科。n数字信号处理又是一门新兴的学科数字信号处理又是一门新兴的学科n50年代末期至年代末期至60年代初期，数字计算机被用于年代初期，数字计算机被用于信号处理的研究，这才是真正意义上的对数字信号处理的研究，这才是真正意义上的对数字信号进行处理的研究。信号进行处理的研究。 n数字信号处理技术的迅速发展是从数字信号处理技术的迅速发展是从20世纪世纪60年年代开始的，其主要标志是两项重大进展，即快代开始的，其主要标志是两项重大进展，即快速傅里叶变换速傅里叶变换(FFT)算法的提出和数字滤波器算法的提出和数字滤波器设计方法的完善。设计方法的完善。n3个实验室：个实验室：Bell实验室、实验室、IBM的的Watson实验实验室和室和MIT的的Lincoln实验室。实验室。 作业作业n1.写一篇综述文章，主要方面为写一篇综述文章，主要方面为DSP的技术、的技术、发展趋势、或在某一方面的研究，或是了解某发展趋势、或在某一方面的研究，或是了解某一领域用一领域用DSP的前景等。的前景等。n要求按论文写作要求。有题目、作者、摘要、要求按论文写作要求。有题目、作者、摘要、关键字、参考文献及外文摘要。关键字、参考文献及外文摘要。n上交时间为二个星期之后的今日。上交时间为二个星期之后的今日。
