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1、 数字信号处理（Digital Signal Processing：DSP）张旭东清华大学电子工程系什么是信号处理什么是信号处理信号处理的目的总是从我们测量到的信号记录中提取出对我们有用的信息模拟信号处理数字信号处理数字信号处理的发展n计算机的诞生，为信号的数字处理提供了实现的可能计算机的诞生，为信号的数字处理提供了实现的可能. . 2020世纪初至世纪初至5050年代有许多前期的研究工作年代有许多前期的研究工作, ,从采样定理从采样定理的建立到声码器的数字仿真实验等的建立到声码器的数字仿真实验等, ,奠定了理论基础奠定了理论基础. .n19651965年年FFTFFT的提出，是的提出，是DS
2、PDSP发展的里程碑发展的里程碑 ( (但其源头可但其源头可追溯到高斯时代追溯到高斯时代) )n离散变换的进展：离散变换的进展：6565年年FFTFFT，7070年代余弦变换，年代余弦变换，8080年代年代中后期小波变换中后期小波变换n滤波器设计技术：滤波器设计技术：IIRIIR、FIRFIR数字滤波器，多采样处理数字滤波器，多采样处理和滤波器组理论，专用滤波器设计和滤波器组理论，专用滤波器设计, ,小波滤波小波滤波n统计和自适应信号处理，阵列处理等统计和自适应信号处理，阵列处理等, , 从统计学引入从统计学引入信号处理发展的另一条主线信号处理发展的另一条主线-现代信号处理现代信号处理n器件和
3、系统的发展对数字信号处理有积极推动器件和系统的发展对数字信号处理有积极推动数字信号处理（Digital Signal Processing:DSP）教学的演变n19691969年年RaderRader和和GoldGold第一本第一本DSPDSP书书n19751975年年Oppenheim&SchaferOppenheim&Schafer第一本有广泛影响的教科书，第一本有广泛影响的教科书，主要面向研究生主要面向研究生n19891989年年Oppenheim&SchaferOppenheim&Schafer的离散时间信号处理的离散时间信号处理（Discrete Time Signal Proces
4、singDiscrete Time Signal Processing）出版，）出版，19991999年年修订版修订版n我国也出版了大量我国也出版了大量DSPDSP教材教材n内容的基本原理部分基本稳定，原理部分以适当的速内容的基本原理部分基本稳定，原理部分以适当的速度有所更新和扩充，应用领域不断扩大度有所更新和扩充，应用领域不断扩大n从研究生进入本科生阶段，重要的专业基础课从研究生进入本科生阶段，重要的专业基础课教材和参考书n教材教材：nA. V. Oppenheim，R. , Discrete-Time Signal Processing, Prentice-Hill, 1999, Seco
5、nd Edition(清华出版社影印清华出版社影印)n应启珩等著，离散时间信号分析和处理，清华大学出版社，2001版n参考书参考书n1. S. K. Mitra, Digital Signal Processing: A Computer-Based Approach, Second Edition, Mcgraw-Hill,2001n2. 胡广书，数字信号处理：理论、算法与实现，清华大学出版社，2003n3. J. G. Proakis, D. G. Manolakis, Digital Signal Processing: Principles, Algorithms, and appli
6、cations, PH,1996考试要求n平时作业：15n课程报告：15n期末考试：70n期末考试为开卷考试课程名称：数字信号处理（OR）离散时间信号处理n离散时间信号处理：不考虑样本的量化效应，不考虑离散时间信号处理：不考虑样本的量化效应，不考虑系数与运算过程的有限字长效应的影响。系数与运算过程的有限字长效应的影响。n用离散信号处理的概念，易于导出各种理论结果，有用离散信号处理的概念，易于导出各种理论结果，有各种闭式的分析工具，具有指导性的分析和设计方法。各种闭式的分析工具，具有指导性的分析和设计方法。当考虑了量化效应和有限字长的计算和存储效应后，当考虑了量化效应和有限字长的计算和存储效应后
7、，就变成数字信号处理就变成数字信号处理n两个课程名称：数字信号处理两个课程名称：数字信号处理/ /离散时间信号处理离散时间信号处理 都都是合适的，强调了该课程的两个方面。是合适的，强调了该课程的两个方面。n从应用方面看，除特殊场合下用声表面波器件或开关从应用方面看，除特殊场合下用声表面波器件或开关电容网络直接做离散信号处理外，绝大多数离散信号电容网络直接做离散信号处理外，绝大多数离散信号处理的实现是通过数字系统实现的处理的实现是通过数字系统实现的。第1章：时域离散信号和系统1.1 引言一个处理连续时间信号的离散时间系统nC/D:Continuous/Discrete Converter连续时间
8、信号的数字处理系统该框图是一个完整的处理连续信号的数字信号处理系统，该框图是一个完整的处理连续信号的数字信号处理系统，实际系统可能是这个完整系统的一部分。实际系统可能是这个完整系统的一部分。如果前端和（或）后端构成一个独立子系统，如果前端和（或）后端构成一个独立子系统，这个子系统称为数据采集系统这个子系统称为数据采集系统第1个要注意的参数Tn由连续信号获得离散信号时，采样周期T（或采样频率F）是必须有记录的参数，由T结合DSP结果，一般才能给出正确的物理解释n例：第1个要注意的参数T（续）n可以看到，两个频率相差很大的连续信号，用不同频率采样后，得到完全相同的离散信号。第1个要注意的参数T（续
9、）n将会看到，用DSP进行信号分析时，其频率是归一化的，要得到对连续信号的正确物理解释，需要参数T。n分析例子可以看到，连续角频率和离散角频率的关系连续信号的离散处理过程，均将有限频率范围映射到归一化的频率范围，映射尺度就是采样参数（T或F）数字信号处理的优缺点（优点）n不敏感于元器件的外部容限参数，例如温度、老化等n容易进行比较准确的精度控制n多系统共享单处理器（分时处理）n容易自适应地、实时地控制和改变系统参数n容易实现模拟系统很困难、甚至不能实现的复杂运算n长时间、大容量、无损地保留信息n数字系统比较容易处理甚低频信号，例如地球物理信号，模拟系统需要大尺寸的电感和电容数字信号处理的优缺点
10、（缺点）n系统可能更加复杂n处理速度和频率限制（例：音频级、视频级、雷达、声纳等，超高速）n数字信号处理系统一般采用有源器件，模拟系统可能采用无源器件实现，一般数字系统需要更多的功耗。（例如：数码相机必须采用大容量或专用充电电池）n功能简单的系统，仍以模拟为主，复杂系统采用数字系统实现。n例模拟：普通收音机，指针式万用表。数字：手机、数码相机，MP3。电视：从模拟向数字迈进。发展与挑战nVLSI的发展，不断突破人们原有的预测，速度更快、功耗更低的数字集成电路使数字处理更加便捷。n对于数字信号处理，专用DSP处理器，已成为最重要的嵌入式系统的处理核心。n从1982年DSP处理器问世时10MPIS
11、，到今天单片超过1GPIS，单片运算速度增加1000倍以上，每MPIS功耗和价格大大下降。nA/D转换器已有突破20GHz的单片转换器。n模拟与数字系统是构成完整信息处理系统均不可缺少的单元，趋势是：核心处理部分采用数字处理，外围接口仍采用模拟系统n随着软件无线电、软件雷达等技术进展，越来越多功能采用DSP实现，但仍不可能完全抛弃模拟系统，有些专用功能还是仅用模拟系统实现。关于DSPnDSP：Digital Signal ProcessingnDSP: Digital Signal ProcessornDSPs: Digital Signal Processing Solution课程内容介绍
12、n信号的表示信号的表示：各种离散变换、快速算法、谱分析应用n离散系统分析和设计离散系统分析和设计：主要是数字滤波器结构、分析、设计。n有限字长效应有限字长效应：影响与对策信号的表示信号的表示：时域表示复频域表示；频域表示时频表示表示之间的等价与反映不同特征表示之间的等价与反映不同特征1.2 时域离散信号序列1.2 时域离散信号序列n序列表示1图形表示复习：Oppen:应： 注意，对于离散信号，非整数序号是没有定义的。注意，对于离散信号，非整数序号是没有定义的。1.2 时域离散信号序列（续）n序列表示2数学表达式n序列表示3数据集合（例：采样序列）几种常用序列（Kronecker 函数）如何表达
13、n2. 单位阶跃n矩形序列n实指数序列n单边n双边n周期序列n正弦型序列离散信号的频率与周期n频率主值离散信号的频率与周期（续）n高频与低频离散信号的频率与周期（续）n正弦信号的周期离散信号的频率与周期（续）离散信号的频率与周期（续）n例子：但角频率越大，包络变化越快是仍成立的。但角频率越大，包络变化越快是仍成立的。离散信号的频率与周期（续）n以N周期的、可区分的正弦（余弦、复指数）频率数目只有N个。（Why？）序列的运算n前向差分n后向差分n高阶差分n例序列的运算（续）n序列移位n序列转置序列的运算（续）n序列的卷积和序列的运算（续）n卷积和：有限长序列序列的运算（续）n用冲激和卷积表示序列这也是诸多信号分解中的一种，将信号分解成基本这也是诸多信号分解中的一种，将信号分解成基本“粒子粒子”之和之和
