數(shù)字信號處理程

1、數(shù)字信號處理2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系1教材與參考書教材：教材： 數(shù)字信號處理教程數(shù)字信號處理教程（第二版）（第二版） 程佩青，清華大學(xué)程佩青，清華大學(xué)參考書：參考書： 數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理 鄭南寧，鄭南寧，西安交大西安交大 Discrete Time Signal Processing Alan V.Oppenheim & Ronald W.Schafer 2nd Edition, Prentice-Hall，2001 離散時(shí)間信號處理離散時(shí)間信號處理 奧本海姆，高教奧本海姆，高教 信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng) 鄭君里，高教鄭君里，高教2022-6-14大

2、連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系2緒論一、信號、系統(tǒng)與信號處理的基本概念二、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成三、數(shù)字信號處理的特點(diǎn)四、數(shù)字信號處理的學(xué)科概貌五、數(shù)字信號處理的應(yīng)用六、本課程的主要內(nèi)容2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系3一、數(shù)字信號處理的基本概念 DSP(Digital Signal Processing)是近幾十年發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。 DSP是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對信號進(jìn)行采集、變換、綜合、估值、識別等加工處理，以達(dá)到提取信息和便于應(yīng)用的目的的一門學(xué)科。2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系41、信號概念 信號信

3、號: : 信號是傳輸信息的函數(shù)，是信息的物理表現(xiàn)形式，或表示物理系統(tǒng)狀態(tài)或行為；而信息是信號的具體內(nèi)容。通俗地講，信息就是有用的消息。消息不等于信息，同一消息可含有不同的信息量。一般信號是一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)。(e.g.: i(t),v(t),g(x,y). 獨(dú)立變量獨(dú)立變量: 時(shí)間、距離、速度、位置、溫度和 壓力等。2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系5信號分類 信號分類：信號分類： 依載體：電、磁、聲、光、熱、機(jī)械信號； 依維數(shù)： 一維、二維、多維(矢量)信號； 依周期： 周期信號x(t)=x(t+kT)、非周期信號; 依確定性：確定性信號、隨機(jī)信號； 依能量或功

4、率是否有限： 能量、功率信號； 依連續(xù)性：連續(xù)信號(模擬)、離散信號(數(shù)字)；2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系6 波形：波形：信號幅度隨獨(dú)立變量變化的函數(shù)，通常 一維信號的獨(dú)立變量為時(shí)間。信號分類（續(xù)） 傳感器得到的信號都要先變成電信號傳感器得到的信號都要先變成電信號( (連續(xù)時(shí)間信號連續(xù)時(shí)間信號) )。 連續(xù)時(shí)間信號：連續(xù)時(shí)間信號：用電壓或電流去模擬其他物理量所得到用電壓或電流去模擬其他物理量所得到的信號，獨(dú)立時(shí)間變量連續(xù)有定義的信號，獨(dú)立時(shí)間變量連續(xù)有定義x(t) x(t) 。 模擬信號：模擬信號：信號幅值連續(xù)有定義的連續(xù)時(shí)間信號。信號幅值連續(xù)有定義的連續(xù)時(shí)間信號

5、。 離散時(shí)間信號：離散時(shí)間信號：由連續(xù)時(shí)間信號經(jīng)離散化得到，亦可客由連續(xù)時(shí)間信號經(jīng)離散化得到，亦可客觀存在，獨(dú)立時(shí)間變量在離散時(shí)間點(diǎn)有定義觀存在，獨(dú)立時(shí)間變量在離散時(shí)間點(diǎn)有定義x(nT)x(nT)。 數(shù)字信號：數(shù)字信號：在時(shí)間上和幅度上都是離散的信號，它可由在時(shí)間上和幅度上都是離散的信號，它可由模擬信號經(jīng)離散和量化得到，亦可客觀存在。本質(zhì)上，模擬信號經(jīng)離散和量化得到，亦可客觀存在。本質(zhì)上，它只是一系列的它只是一系列的“數(shù)數(shù)”，且通常用二進(jìn)制編碼表示。，且通常用二進(jìn)制編碼表示。 關(guān)系：關(guān)系：連續(xù)時(shí)間信號連續(xù)時(shí)間信號采樣采樣 離散時(shí)間信號離散時(shí)間信號量化量化 數(shù)字信號數(shù)字信號模擬經(jīng)模擬經(jīng)A/DA/

6、D變換得數(shù)字；數(shù)字經(jīng)變換得數(shù)字；數(shù)字經(jīng)D/AD/A變換得模擬。變換得模擬。2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系7連續(xù)時(shí)間信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號舉例1. 連續(xù)時(shí)間信號：連續(xù)時(shí)間信號：CTS(Continuous Time Signal/Analog Signal )x(t)2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系8 （在離散時(shí)間點(diǎn)上取值）（在離散時(shí)間點(diǎn)上取值）2. 離散時(shí)間信號：離散時(shí)間信號：DTS (Discrete Time Signal/Sequence) xn離散時(shí)間信號例子（1）股票指數(shù)：2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系9人

7、口統(tǒng)計(jì)：離散時(shí)間信號例子（2） 溫度測量2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系10離散時(shí)間信號例子（3） 連續(xù)信號的離散化：2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系11離散時(shí)間信號例子（4） 2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系12醫(yī)學(xué)測量信號 EEG-Electroencephalogram, ECGelectrocardiography.(腦、 心電圖) 音樂信號音樂信號 ： 圖圖 象象 ：2、系統(tǒng)概念 系統(tǒng)：系統(tǒng)：處理信號的物理設(shè)備。軟件編程處理信號的物理設(shè)備。軟件編程（運(yùn)算或操作）也可看成為系統(tǒng)。（運(yùn)算或操作）也可看成為系統(tǒng)。

8、 系統(tǒng)依所處理的信號種類可分為四類：模模擬系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、擬系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)。 系統(tǒng)依性質(zhì)可分為：線性的或非線性的、時(shí)（移）不變的或時(shí)（移）變的、因果的或非因果的系統(tǒng)等。2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系133、信號處理概念 信號處理信號處理是指利用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)對信號進(jìn)行處理（變換）。 數(shù)字信號處理的內(nèi)容包括： 信號表示信號表示：時(shí)域和頻域表示； 信號變換信號變換：DTFT、DFT、ZT，以及FFT； 信號處理信號處理：濾波、壓縮、調(diào)制及解調(diào)和 信號分析; 信號運(yùn)算信號運(yùn)算：延遲、加、減、乘和卷積。2022-6-14大連

9、海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系14二、數(shù)字信號處理系統(tǒng)基本組成1.模擬信號的數(shù)字化處理系統(tǒng)構(gòu)成模擬信號的數(shù)字化處理系統(tǒng)構(gòu)成：2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系15前置預(yù)濾波器 A/D變換器數(shù)字信號處理器 D/A 變換器模擬 濾波器xa(t) x(n) y(n) ya(t) y(t) x(t) 2.各單元的作用各單元的作用：前置預(yù)濾波器前置預(yù)濾波器：濾除高于某一頻率的信號，防混迭。A/D變換器變換器：完成抽樣和量化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器：輸入序列經(jīng)處理得到輸出序列。 D/A變換器變換器：數(shù)字信號變換成模擬信號。模擬濾波器模擬濾波器：濾除不需要的高

10、頻分量。3. 數(shù)字信號處理(DSP)的實(shí)現(xiàn)方法： 軟件軟件：指的是按照原理和算法，自己編寫程序或者采指的是按照原理和算法，自己編寫程序或者采用現(xiàn)成的程序在通用計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。軟件法靈活，但用現(xiàn)成的程序在通用計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。軟件法靈活，但速度慢，達(dá)不到實(shí)時(shí)處理要求。速度慢，達(dá)不到實(shí)時(shí)處理要求。 專用硬件專用硬件：指的是按照具體的要求和算法，設(shè)計(jì)硬件指的是按照具體的要求和算法，設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)圖，用乘法器、加法器、延時(shí)器、控制器、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖，用乘法器、加法器、延時(shí)器、控制器、存儲(chǔ)器以及輸入輸出接口部件實(shí)現(xiàn)的一種方法。硬件法速器以及輸入輸出接口部件實(shí)現(xiàn)的一種方法。硬件法速度快，但是不夠靈活。度快，但是不夠靈

11、活。 通用通用DSP芯片芯片：采用專用的數(shù)字信號處理芯片（采用專用的數(shù)字信號處理芯片（DSPDSP）是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種方法。它內(nèi)部配有是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種方法。它內(nèi)部配有乘法器和累加器，結(jié)構(gòu)上采用流水線工作方式以及并乘法器和累加器，結(jié)構(gòu)上采用流水線工作方式以及并行結(jié)構(gòu)、多總線，且配有適合數(shù)字信號處理的指令，行結(jié)構(gòu)、多總線，且配有適合數(shù)字信號處理的指令，這種產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場，速度高、體積小、性能優(yōu)良，這種產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場，速度高、體積小、性能優(yōu)良，價(jià)格也在不斷下降。價(jià)格也在不斷下降。2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系16數(shù)字信號處理過程的波形示意圖

12、A/D變換：(抽樣與量化）2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系17-301 2 3 435474nT2T)(txa)(nxt-1數(shù)字信號處理過程的波形示意圖（續(xù)） 數(shù)字信號處理器：(DSP)2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系18y(n)01 2 3 4n數(shù)字信號處理過程的波形示意圖（續(xù)） D/A變換器： （平滑）模擬濾波器：2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系190y(t) (tya三、數(shù)字信號處理的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1. 精度高 模擬系統(tǒng)：由元器件確定（10-3）； 數(shù)字系統(tǒng)：由字長確定，由8位到16、32、64位， 數(shù)字信號可

13、存儲(chǔ)、傳送。2. 靈活性高 數(shù)字系統(tǒng)的性能主要由乘法器的系數(shù)決定。 3. 可靠性高 只有“0”和“1”兩個(gè)電平，受溫度噪聲影響小。4. 容易集成 規(guī)范性高，電路參數(shù)要求不高，體積小、重量輕。2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系20數(shù)字信號處理的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）5. 時(shí)分復(fù)用2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系21數(shù)字信號處理器同步多路開關(guān)多路開關(guān)輸出輸入.數(shù)字信號處理的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)） 6. 可獲得高性能指標(biāo) 如頻譜分析：模擬方法10Hz; 數(shù)字方法10-3Hz.7. 便于二維與多維處理 用存儲(chǔ)一禎或數(shù)禎圖象信號，實(shí)現(xiàn)二、多 維處理。缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 1. 增加復(fù)雜性

14、（e.g.:A/D和D/A）； 2. 速度不夠高，工作頻率也不夠高(幾十MHz以下)。2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系22四、數(shù)字信號處理的學(xué)科概貌1. 信號的采集： 實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)字化，包括取樣、量化。2. 信號的分析： 信號描述與運(yùn)算，各種變換，時(shí)、頻域分析，DFT。3. 系統(tǒng)分析： 線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)，時(shí)變系統(tǒng)與時(shí)不變系統(tǒng)， 線性時(shí)（移）不變系統(tǒng)，因果系統(tǒng)與非因果系統(tǒng)， 線性時(shí)（移）不變因果系統(tǒng)。4. 快速算法： FFT, WFT，快速卷積、相關(guān)算法。5. 數(shù)字濾波技術(shù)：(1) IIR數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)；(2) FIR數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)。6. 功率譜估計(jì)

15、與相關(guān)函數(shù)估計(jì)。7. 信號壓縮（語音、圖像）。8. 信號建模（AR、MA、ARMA）。2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系23五、數(shù)字信號處理的應(yīng)用與發(fā)展1.應(yīng)用：應(yīng)用：（1）濾波與變換：數(shù)字濾波/卷積、相關(guān)；（2）通信：各種調(diào)制/解調(diào)、自適應(yīng)均衡、糾錯(cuò)、擴(kuò)頻、加/解密、回波對消、IP電話、軟件無線電；（3）語音、語言：郵件、壓縮、錄音、識別、合成；（4）圖形圖像：壓縮增強(qiáng)、復(fù)原重建、分割、識別、動(dòng)畫、視覺；（5）消費(fèi)電子;（6）儀器儀表：（7）工控自動(dòng)化；（8）醫(yī)療；（9）軍事；雷達(dá)、聲納、導(dǎo)航、GPS、衛(wèi)星、航空航天。2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)

16、與技術(shù)系24DSP應(yīng)用舉例（1） 濾波選頻濾波e.g.:多正弦信號：2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系25DSP應(yīng)用：回波對消(I)（2） 回波對消（來自遠(yuǎn)方的輸入信號既耦合至耳機(jī)， 又耦合至話筒傳回去，產(chǎn)生回聲）2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系26DSP應(yīng)用：回波對消(II)對消方法：（將輸入一方面送入混合線圈，另一方面又將輸入一方面送入混合線圈，另一方面又送入自適應(yīng)濾波器與泄露至話筒的回聲進(jìn)行對消送入自適應(yīng)濾波器與泄露至話筒的回聲進(jìn)行對消）2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系27應(yīng)用：語音處理（3） 語音處理v均衡均衡

17、;v編碼與壓縮編碼與壓縮v多聲道模擬、混響效果多聲道模擬、混響效果2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系28應(yīng)用：信號預(yù)測（4） 信號預(yù)測2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系29的值。預(yù)測從1 ,1,0nxnxxx應(yīng)用：信號傳送（5） 語音傳輸2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系30應(yīng)用：圖象處理（I）（6） 圖像處理：邊緣檢測2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系31應(yīng)用：圖象處理（II） 2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系32邊沿檢測原理：邊沿檢測原理： 邊沿信號xn: 邊沿檢測濾波

18、器hn:數(shù)字信號處理的應(yīng)用與發(fā)展（續(xù)）2.發(fā)展方向：（1）數(shù)字匯聚（融合）：信號處理、通信、計(jì)算機(jī)；（2）遠(yuǎn)程會(huì)議；（3）融合網(wǎng)絡(luò)：公眾通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、家庭網(wǎng)；（4）數(shù)字圖書館；（5）圖文信息檢索；（6）多媒體通信；（7）個(gè)人信息終端：PDA、個(gè)人通信系統(tǒng)。2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系33六、本課程的主要內(nèi)容第一章 離散時(shí)間信號與系統(tǒng)(復(fù)習(xí)）第二章 Z變換（復(fù)習(xí)）第三章 離散傅立葉變換（DFT）第四章 快速傅立葉變換（FFT）第五章 數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)第六章 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法第七章 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法第八章 數(shù)字信號處理器簡介 第九章 上機(jī)實(shí)驗(yàn)2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系34課程內(nèi)容綱要 離散時(shí)間信號處理 離散時(shí)間信號 離散時(shí)間系統(tǒng) 產(chǎn)生 表示 表示 Stru 結(jié)構(gòu) 采樣 時(shí)域 頻域 時(shí)域 頻域 FIR IIR Nyq.定理 DFS DFT FFT h(n) H(k) 濾波器設(shè)計(jì) 量化效應(yīng) 2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系35信號分析基本方法2022-6-14大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系36系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問題（1）DSP的實(shí)現(xiàn)：的實(shí)現(xiàn)：A/D，D/A，DSP器件等