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数字信号处理

数字信号处理. 数字信号处理. Digital Signal Processing 广东海洋大学信息学院 学时：54学时（实验10学时） 学分：3学分 主讲教师：张培珍 Email:zpzhen@sohu.com. Digital Media Processing. Telematics. Industry-Specific PDAs. Military and Government Cellular, Secure Connectivity. 数字信号处理. Enhanced Gaming. Webpad.

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数字信号处理

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  1. 数字信号处理 数字信号处理 Digital Signal Processing 广东海洋大学信息学院 学时：54学时（实验10学时） 学分：3学分 主讲教师：张培珍Email:zpzhen@sohu.com

  2. Digital Media Processing Telematics Industry-Specific PDAs Military and Government Cellular, Secure Connectivity 数字信号处理 Enhanced Gaming Webpad Wireless Devices:802.11, Bluetooth, Others Biometrics Medical Devices

  3. 数字信号处理 教科书 数字信号处理 北京大学出版社 王震宇，张培珍等编著

  4. 本课程网站 • http://www1.gdou.edu.cn/xxxy/szxhcljpkc/index.html • 广东海洋大学信息学院精品课程

  5. 数字信号处理 主要内容与学时 第一章 绪论 2学时 第二章 离散时间系统 4学时 第三章 z变换及离散频域分析 4学时 第四章DFT及FFT 6学时 第五章 模拟滤波器设计4学时 第六章 IIR DF的设计 6学时 第七章 FIR DF的设计 8学时 第八章 数字滤波系统的网络结构 6学时 第九章 数字信号处理中的有限字长效应 2学时 第十章 数字信号处理的应用 1学时 总结1学时 实验10学时

  6. 全书内容分布结构

  7. 数字信号处理 先修课程 • 1、数学工具 • 微积分，概率统计，随机过程，高等数学，数值分析，积分变换，复变函数等。 • 2、信号与系统 • 3、Matlab语言 • 4、数字信号处理的理论基础：离散线性变换系统理论，离散傅里叶变换。

  8. 数字信号处理 参考书 一、经典的： 1. A.V.Oppenheim ，“Digital Signal Processing” ，1975. 中译本有多种 离散时间信号处理 [美]A.V奥本海姆 R.W.谢弗编 科学出版社

  9. 数字信号处理 参考书： 2、数字信号处理 吴镇扬等 高等教育出版社 2004 3、基于Matlab的系统分析与设计--信号处理 楼顺天，李博菡编著。西安电子科大出版社2004 4、《MATLAB在数字信号处理中的应用》薛年喜，清华大学出版社 ，2003

  10. 数字信号处理 参考网站 • http://www.cw.njupt.edu.cn/dsp/ 南京邮电大学 • http://jwc.seu.edu.cn/zq/signal/ • 东南大学

  11. 考试 • 1.理论课考核方式： • 闭卷考试，百分制，占总成绩70%。 • 2.实验课考试方式： • 上机操作+实验报告（分优、良、中、及格、不及格5个等级），和平时考勤、作业一并计入平时成绩，占总成绩30%。

  12. 数字信号处理 绪 论 1 信号、系统和信号处理(A) 2.1 数字信号处理的定义(A) 2.2数字信号处理系统基本组成（A） 2数字信号处理 2.3数字信号处理的特点(B) 2.4 数字信号处理的实现（B） 2.5数字信号处理的产生发展、应用 (C)

  13. 前言 • 过去，信号处理一直采用模拟设备来 完成。近代，数字计算机的出现和大规模集成技术的高速发展，为信号处理提供了强有力的手段。在电子技术各个领域，例如雷达、声纳、语言通信、数字通讯等，正日益广泛的用数字方法替代模拟方法实现信号处理。因此,从本世纪60年代以来，逐步形成了一门新的学科——数字信号处理。

  14. 数字信号处理 1、 信号、系统和信号处理 1.1 信号定义： 信号是一个或多个独立变量的函数， 该函数含有物理系统的信息或表示物理系统状态或行为。 (e.g.: i(t)，v(t)，g(x，y)). 独立变量: 时间、距离、速度、位置、温度和压力等

  15. A 0 t 数字信号处理 信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波形的概念。 声级计 振动弦(声源) 记录仪 信号波形图：用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。

  16. 数字信号处理 1.2 信号的描述方法 • 信号是无处不在的。在众多的描述方法中，有两个最基本的物理量，即时间和频率。显然，时间和频率与我们的日常生活关系最为密切，我们时时可以感受到它们的存在。时间自不必说，对频率，如夕阳西下时多变的彩霞，音乐会上那优美动听的旋律以及在一片寂静中突然冒出的一声刺耳的尖叫等，这些都包含了丰富的频率内容。正因为如此，时间和频率也成了描述信号行为的两个最重要的物理量。

  17. 数字信号处理 例

  18. 数字信号处理 1.3信号分类 1）按独立变量个数可分： 1-dimensional (1-D)：单个独立变量的一维函数， e.g轨迹跟踪； 2-D：两个独立变量的二维函数， e.g. 图象信号。 M-D：多个独立变量的多维函数， e.g. 彩色视频信号(RGB) 。

  19. 简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。 为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。 数字信号处理 2）按载体： 电信号、磁信号、声信号、光信号、热信号、 机械信号。

  20. 数字信号处理 例：用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构

  21. 简单周期信号 准周期信号 复杂周期信号 瞬态信号 数字信号处理 3）按周期性： 周期信号x(t)=x(t+kT); 非周期信号。

  22. 噪声信号(平稳) 复杂周期信号 数字信号处理 4）按是否为确定函数: 分为确定信号；随机信号。

  23. 噪声信号(平稳) 瞬态信号 复杂周期信号 数字信号处理 5）按能量或功率是否有限： 能量信号（能量有限）；功率信号（功率有限）。 一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。 一般持续时间无限的信号都属于功率信号。

  24. 数字信号处理 6）按独立变量定义域和信号值域分 • 连续时间信号 • CTS （Continuous-Time Signals） • 模拟信号 • AS（ Analog Signals ） • 离散时间信号 • DTS （Discrete-Time Signals） • 数字信号 • DS（Digital Signals）

  25. 数字信号处理 7） 物理可实现信号与物理不可实现信号 a) 物理可实现信号：又称为单边信号，满足条件：t＜0时，x(t) = 0，即在时刻小于零的一侧全为零。 b) 物理不可实现信号：在事件发生前(t<0)就预知信号。

  26. 数字信号处理 1.3 信号处理系统 • 1、定义：系统是将信号进行处理（或变换）以达到人们要求的各种设备。系统可以是硬件的，也可以是软件编程实现的。 • 2、系统的分类（按所处理的信号种类不同分类） • - 连续时间信号系统 • - 模拟信号系统 • - 离散时间信号系统 • - 数字信号系统

  27. 数字信号处理 2、数字信号处理 2.1 定义： 数字信号处理是用数字或符号的序列来表示信号，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，对信号及所含信息进行表示、变换并用数字的数值计算方法处理，以提取有用信息。

  28. 数字信号处理 对于DSP:狭义理解可为Digital Signal Processor 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。在此我们讨论的DSP的概念是指广义的理解。 ●信号表示：时域和频域表示； ●信号变换：离散时间Fourier变换（DTFT）、离散Fourier变换DFT）和 z变换， 以及变换的快速算法（FFT）。 ●信号处理：滤波、压缩、调制及解调和信号分析。 ●信号运算：延迟、加、减、乘和卷积等。

  29. 数字信号处理 数字信号处理理论基础的核心 • C.E.Shannon的抽样定理 • （"A mathematical Theory of Communication", Shannon1948）被工程师们公认为影响这个世界的最重要的公式之一（根据一项非正式的调查显示，抽样定理列于该调查所排列的10个最重要公式中。注意，第一位是牛顿第二定律，第二位是万有引力定律，第五位是Maxwell方程组，抽样定理列第八，这足以说明它的重要性。）

  30. 数字信号处理 2.2 数字信号处理系统的基本组成 前置预滤波器：滤除高于某一频率（抽样频率的一半)的信号，防混迭。

  31. 数字信号处理 A/D变换器：完成抽样和量化和编码，实现数字化。如图 数码 量化电平 数字信号 采样保持信号 量化电平 模拟信号

  32. y(n) n 4 1 2 3 0 数字信号处理 数字信号处理器(DSP)： • 按照预定要求，在处理器中将信号序列x(n)进行加工处理得到输出信号y(n).

  33. 数字信号处理 D/A变换器： • 经过D/A变换器，将数字信号序列反过来变换成模拟信号，这些信号在时间点0，T，2T…nT，…上的幅度应等于序列y(n)中相应数码所代表的数值大小。 即由一个进制流产生一个阶梯波形，是形成模拟信号的第一步。

  34. 数字信号处理 模拟滤波器（后置滤波器）： • 把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。 以滤除掉不需要的高频分量，生成所需的模拟信号y(t).

  35. C X(t) R Y(t) 延时 a 模拟高通滤波器 数字高通滤波器 数字信号处理 例：最简单的模拟和数字滤波器

  36. 数字信号处理 2.3 数字信号处理的特点 1） 精度高 模拟系统：由元器件确定（很难达到10-3）； 数字系统：由字长确定，17位字长就可达10-5精度 。 2） 灵活性强 数字系统的性能主要由乘法器的系数决定。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。 3） 可靠性高 只有“0”和“1”两个电平，受温度噪声影响小。

  37. 数字信号处理 4） 容易集成,规范性高，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。 5） 实现多维信号处理： 利用DSP同时处理几个通道的信号。 存储单元庞大，可以存储二维的图像信号和多维的阵列，实现二维或多维滤波及谱分析等。 6） 可获得高性能指标或特性 数字信号处理可以完成许多模拟信号处理所达不到的功能，如线性相位响应。还有一些模拟信号不能处理的问题如无损压缩、纠错编码等。

  38. 数字信号处理 • 7）局限性 • a）数字系统的速度还不算高，因而不能处理很高频率的信号。(因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理) • b）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。 • c）系统功率消耗比较大

  39. 数字信号处理 2.4 信号处理的实现方法： 1）软件实现方法 2）硬件实现方法： 3）采用专用的数字信号处理芯片DSP： DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。是目前发展最快、应用最广的一种方法。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。

  40. 数字信号处理 2.5 数字处理的产生、发展、应用 • 2.5.1产生： • 奠定这一理论基础的是1948年美国著名信息论专家香农的一篇论文“通讯的数学理论”，他第一次提出数字化信息的基本单位：比特（尼葛洛庞帝把比特比喻作信息领域的DNA）；并由此出发提出了一系列近代信息论基本思想。 　　由于受硬件条件的限制，信号的数字化处理真正开始于六十年代初。1965年J.W.cooley和J.W.Tukey提出了快速傅里叶变换算法，为数字信号处理开端的里程碑。

  41. 数字信号处理 2.5.2 数字信号处理的发展 1946年当冯·诺伊曼等计算机专家研制成功第一台电子计算机ENIAC时，其总重量为30吨，占地面积相当于一个小的体育馆，平均每7分钟就有一个电子管失效。它的耗电量惊人，在它工作时，整个费城就灯光暗淡。 1971年英特尔公司推出了第一个微处理芯片4001，其功能大体上和世界上第一台电子计算机ENIAC相当。此后，微处理芯片的发展就异常迅速，它基本上遵从所谓的摩尔定律，这就是微处理芯片每隔18个月性能提高一倍、价格降低到原来的1/2。 而1977年生产的微处理器体积仅是ENIAC的1/30000，成本是它的1/10000，速度是它的20倍。

  42. 数字信号处理 　　英国科学家福莱斯特，在总结了微电子技术的这种惊人发展速度之后，在他所著的“高技术社会”中发出了感叹，他说，“如果汽车或飞机行业也象计算机行业这样发展，那么今天一辆罗尔斯·罗伊斯汽车的成本将只有2.75美元；跑300万英里仅用一加仑汽油。而一架波音767飞机的价格只需500美元，用5加仑汽油在20分钟内便可环绕地球一周。”　　1996年美国Princeton大学电子工程系主任刘必治教授来华发表演讲时，作了类似的对比，他说，如果汽车行业也象微电子行业那样，那么今天一辆小轿车的价格应当是0.26美元。

  43. 数字信号处理 2.5.3 趋势 • (1)由简单的运算走向复杂的运算，目前几十位乘几十位的全并行乘法器可以在数个纳秒的时间内完成一次浮点乘法运算，这无论在运算速度上和运算精度上均为复杂的数字信号处理算法提供了先决条件； • (2)由低频走向高频，模数转换器的采样频率已高达数百兆赫，可以将视频甚至更高频率的信号数字化后送入计算机处理； • (3)由一维走向多维，像高分辨率彩色电视、雷达、石油勘探等多维信号处理的应用领域已与数字信号处理结下了不解之缘。(4)各种数字信号处理系统均几经更新换代

  44. 2.5.4 发展特点 年代 特点 $/MIPS 60年代 大学探索 $100-$1,000 70年代 军事运用 $10-$100 80年代 商用成功 $1-$10 90年代 进入消费类电子 $0.1-$1 今后 生活用品 $0.01-$0.1

  45. 数字信号处理 2.5.3数字信号处理的典型应用 • 1）经典信号处理：数字滤波、自适应滤波、快速付里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。 • 2）现代信号处理：AR、ARMA、卡尔曼滤波、小波变换等。 • 3）语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。 • 4）图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。

  46. 数字信号处理 • 5）军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。 • 6）仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。 • 7）自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。 • 8）医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。 • 9)家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。 • 10)通信：电报、电话，回声抵消装置，扩频通信， OFDM(正交频分复用)通信技术

  47. 数字信号处理 每章一话 • 数字信号处理技术是一门理论和实践相比较强的课程，是协同智能发展的学科。 每日识多一点即是智， 人之所以能是相信能。

  48. 数字信号处理 第一次作业题： 1. 根据你身边的数字信号处理应用的例子。写一篇综述文章，主要方面为DSP的技术、发展趋势、或在某一方面的研究，或是了解某一领域用DSP的的前景等。 2.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。 上交时间为第三周本次课 。

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