數(shù)字信號(hào)處理DigitalSignalProcessing.ppt

1,數(shù)字信號(hào)處理 Digital Signal Processing,信息學(xué)院伍小芹 ,2,主要講授內(nèi)容,第0章 緒論 第1章 離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng) 第2章 Z變換 第3章 離散Fourier變換(DFT) 第4章 快速Fourier變換(FFT) 第5章 數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu) 第6章 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 第7章 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 第8章 數(shù)字信號(hào)處理中的有限字長(zhǎng)效應(yīng),3,主要參考書(shū),Sanjit K.Mitra . Digital Signal Processing: A computer-based approach. McGraw-Hill Companies.清華大學(xué)出版社,2000. A.V.奧本海姆.離散時(shí)間信號(hào)處理.西安交大出版社,1999. 劉樹(shù)棠譯.數(shù)字信號(hào)處理-使用MATLAB實(shí)現(xiàn).西安交大出版社,2002. 陳后金.數(shù)字信號(hào)處理。高等教育出版社，2004.,4,課程考核標(biāo)準(zhǔn),作業(yè)10 考勤10 實(shí)驗(yàn)10 期終考試70,5,緒論,基本概念 基本組成 實(shí)現(xiàn)方法 數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn) 應(yīng)用領(lǐng)域 發(fā)展歷史,6,1. 基本概念,信息科學(xué) 信號(hào) 信號(hào)分類(lèi) 模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 數(shù)字信號(hào)處理,7,信息科學(xué) 信息科學(xué)是研究信息的獲取、傳輸、處理和利用的一門(mén)科學(xué)。 信號(hào) 是信息的表現(xiàn)形式。（而信息則是信號(hào)所含有的具體內(nèi)容）,8,信號(hào)的分類(lèi) 依載體：電信號(hào)、磁信號(hào)、聲信號(hào)、光信號(hào)、熱信號(hào)、機(jī)械信號(hào)。 依變量個(gè)數(shù)：一維、二維、多維（矢量）信號(hào)。 依周期性：周期信號(hào)x(t)=x(t+kT); 非周期信號(hào)。 依是否為確定函數(shù)：確定信號(hào)；隨機(jī)信號(hào)。 依能量或功率是否有限：能量信號(hào)；功率信號(hào)。 依時(shí)間和幅度是否連續(xù)：模擬信號(hào)；數(shù)字信號(hào)。,9,模擬信號(hào) 自變量的連續(xù)函數(shù)，自變量可以是1D，2D或者多維的，一般認(rèn)為自變量是時(shí)間 數(shù)字信號(hào) 時(shí)間上和幅度上都是離散的信號(hào)，可以用數(shù)字序列表示 語(yǔ)音，圖像,10,數(shù)字信號(hào)處理 數(shù)字信號(hào)處理就是用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)數(shù)字序列進(jìn)行各種處理，把信號(hào)變換成符合需要的某種形式。 理論基礎(chǔ)，其中最主要的是離散時(shí)間信號(hào)和離散時(shí)間系統(tǒng)理論以及一些數(shù)學(xué)理論。,11,2. 基本組成,12,13,14,3. 實(shí)現(xiàn)方法（軟硬兼有）,(1) 在通用的計(jì)算機(jī)（如PC機(jī)）上用軟件（如Fortran、C語(yǔ)言）實(shí)現(xiàn)；速度較慢，一般可用于DSP算法的模擬 (2) 在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)；專用性強(qiáng)，不便于系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行 (3) 用通用的單片機(jī)（如MCS-51、96系列等）實(shí)現(xiàn)。 這種方法可用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，如數(shù)字控制等；只適用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的DSP算法 (4) 用通用的可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)。 與單片機(jī)相比，DSP芯片具有更加適合于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法；應(yīng)用較多,15,(5) 用專用的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。 在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，用通用DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)，例如專用于FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)等算法的DSP芯片，這種芯片將相應(yīng)的信號(hào)處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，無(wú)需進(jìn)行編程。專用性強(qiáng),16,4. 數(shù)字信號(hào)處理特點(diǎn),精度高：在模擬系統(tǒng)的電路中，元器件精度要達(dá)到10-3以上已經(jīng)不容易了，而數(shù)字系統(tǒng)17位字長(zhǎng)可以達(dá)到10-5的精度，這是很平常的。例如，基于離散傅里葉變換的數(shù)字式頻譜分析儀，其幅值精度和頻率分辨率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬頻譜分析儀。 靈活性強(qiáng)：數(shù)字信號(hào)處理采用了專用或通用的數(shù)字系統(tǒng)，其性能取決于運(yùn)算程序和乘法器的各系數(shù)，這些均存儲(chǔ)在數(shù)字系統(tǒng)中，只要改變運(yùn)算程序或系數(shù)，即可改變系統(tǒng)的特性參數(shù)，比改變模擬系統(tǒng)方便得多。,17,可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達(dá)到的指標(biāo)或特性：例如：有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的線性相位；在數(shù)字信號(hào)處理中可以將信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)，用延遲的方法實(shí)現(xiàn)非因果系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)；數(shù)據(jù)壓縮方法可以大大地減少信息傳輸中的信道容量。 可以實(shí)現(xiàn)多維信號(hào)處理：利用龐大的存儲(chǔ)單元，可以存儲(chǔ)二維的圖像信號(hào)或多維的陣列信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二維或多維的濾波及譜分析等。,18,缺點(diǎn)1：增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，它需要模擬接口以及比較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)； 缺點(diǎn)2：應(yīng)用的頻范圍受到限制，主要是A/D轉(zhuǎn)換的采樣頻率的限制； 缺點(diǎn)3：系統(tǒng)的功率消耗比較大。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中集成了幾十萬(wàn)甚至更多的晶體管，而模擬信號(hào)處理系統(tǒng)中大量使用的是電阻、電容、電感等無(wú)源器件，隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性增加這一矛盾會(huì)更加突出。,19,5. 數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域,語(yǔ)音處理 語(yǔ)音信號(hào)分析 語(yǔ)音合成 語(yǔ)音識(shí)別 語(yǔ)音增強(qiáng) 語(yǔ)音編碼 圖像處理：恢復(fù)，增強(qiáng)，去噪，壓縮 通信：信源編碼，信道編碼 ，多路復(fù)用，數(shù)據(jù)壓縮 電視 ：高清晰度電視，可視電話，視頻會(huì)議 雷達(dá)：對(duì)目標(biāo)探測(cè)，定位，成像,20,聲納 有源聲納信號(hào)處理 無(wú)源聲納信號(hào)處理 地球物理學(xué) 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理 音樂(lè) 其它領(lǐng)域,21,6. 數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科的發(fā)展歷史,理論基礎(chǔ)（經(jīng)典數(shù)值計(jì)算or計(jì)算數(shù)學(xué)）： 17th Century-18th Century 中葉發(fā)展起來(lái)； DSP獨(dú)立學(xué)科的形成：20th Century 4050s， 迅速發(fā)展：60年代中期；（FFT和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)） FFT對(duì)DSP迅速發(fā)展起了極大的推動(dòng)作用： 1965年，J.W.Cooley & J.W.Tukey提出了FFT（Fast Fourier Transform），很快得到了推廣應(yīng)用；,22,數(shù)字濾波器（Digital Filter）設(shè)計(jì)方法的研究是DSP迅速發(fā)展的另一個(gè)標(biāo)志，40年代60年代中期，形成了完整的理論基礎(chǔ)（FIR & IIR）； 有限沖擊響應(yīng)（FIRFinite Impulse Response）； 無(wú)限沖擊響應(yīng)（IIRInfinite Impulse Response）； 三個(gè)著名的DSP實(shí)驗(yàn)室： Bell實(shí)驗(yàn)室、IBM的Watson實(shí)驗(yàn)室、MIT的Lincoln實(shí)驗(yàn)室。,23,由簡(jiǎn)單的運(yùn)算走向復(fù)雜的運(yùn)算，目前幾十位乘幾十位的全并行乘法器可以在數(shù)十納秒的時(shí)間內(nèi)完成一次浮點(diǎn)乘法運(yùn)算，這無(wú)論在運(yùn)算速度上和運(yùn)算精度上均為復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法提供了先決條件； 由低頻走向高頻，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率已高達(dá)數(shù)百兆赫，可以將視頻甚至更高頻率的信號(hào)數(shù)字化后送入計(jì)算機(jī)處理； 由一維走向多維，像高分辨率彩色電視、雷達(dá)、石油勘探等多維信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域已與數(shù)字信號(hào)處理結(jié)下了不解之緣。,發(fā)展特點(diǎn),24,各種數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)均幾經(jīng)更新?lián)Q代：在圖像處理方面，圖像數(shù)據(jù)壓縮是多媒體通信、影碟機(jī)(VCD或DV