數(shù)字信號(hào)處理課件

1課程內(nèi)容共64學(xué)時(shí)，其中講授48學(xué)時(shí)，上機(jī)實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)。教材內(nèi)容：第1章～第10章

信號(hào)與信號(hào)處理， 2學(xué)時(shí)離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)， 6學(xué)時(shí)離散時(shí)間傅里葉變換， 4學(xué)時(shí)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的數(shù)字處理， 6學(xué)時(shí)有限長(zhǎng)離散變換， 6學(xué)時(shí)Z變換， 4學(xué)時(shí)LTI離散時(shí)間系統(tǒng)變換域分析，6學(xué)時(shí)數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)， 6學(xué)時(shí)IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)， 4學(xué)時(shí)FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)， 4學(xué)時(shí)2學(xué)習(xí)方法數(shù)字信號(hào)處理非常有趣，也非常有用。強(qiáng)調(diào)基本概念、基本理論和分析方法；適當(dāng)練習(xí)，并利用MATLAB進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理實(shí)踐；結(jié)合光盤內(nèi)容，加深課程理解，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣；理論聯(lián)系實(shí)際，鞏固和加深對(duì)課程內(nèi)容的理解。利用Internet來擴(kuò)大自己的知識(shí)面和跟蹤本門學(xué)科的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)；考核方式：平時(shí)成績(jī)30％，期末考試成績(jī)70%。3本課程的教材和參考書:數(shù)字信號(hào)處理－基于計(jì)算機(jī)的方法（第三版），S.K.Mitra著,電子工業(yè)出版社.數(shù)字信號(hào)處理使用MATLAB,維納.K.恩格爾約翰.G.普羅克斯,劉樹棠譯，西安交通大學(xué)出版社.數(shù)字信號(hào)處理教程(第二版），數(shù)字信號(hào)處理習(xí)題解答，程佩青，清華大學(xué)出版社離散時(shí)間信號(hào)處理，[美]A.V.奧本海姆，科學(xué)出版社.SignalProcessing信號(hào)處理導(dǎo)論,SophoclesJ.Orfanids,清華大學(xué)出版社.基于MATLAB的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)-信號(hào)處理，樓順天等編著，西安電子科技出版社.4從模擬到數(shù)字是信息技術(shù)革命的主要特征我們實(shí)際生活在一個(gè)模擬的世界里，我們接觸的信息都是模擬信號(hào)，因?yàn)槟M信號(hào)難以獲得、存儲(chǔ)、放大、傳輸，所以我們采用了數(shù)字技術(shù)來對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，這推動(dòng)了DSP的發(fā)展；數(shù)字信號(hào)處理是數(shù)字化大廈的基石；5數(shù)字信號(hào)處理(DSP)

(DigitalSignalProcessing)數(shù)字信號(hào)處理是把信號(hào)用數(shù)字或符號(hào)表示成序列，通過計(jì)算機(jī)或通用（專用）信號(hào)處理設(shè)備，用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行各種處理，達(dá)到提取有用信息便于應(yīng)用的目的。例如：濾波、檢測(cè)、變換、增強(qiáng)、估計(jì)、識(shí)別、參數(shù)提取、頻譜分析等。DSP可狹義理解為DigitalSignalProcessor數(shù)字信號(hào)處理器我們討論的DSP是廣義概念DigitalSignalProcessing,即數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)7數(shù)字信號(hào)處理的歷史1669:Newton偶然發(fā)現(xiàn)了光譜，卻沒有意識(shí)到”頻率”的概念；1807:Fourier分析誕生19th/20thcentury:出現(xiàn)了兩種Fourier分析方法-Continuous&Discrete.1965-IBM’sCooley&Tukey

發(fā)明了FFT(FastFourierTransform)

算法，此后相繼出現(xiàn)了各種用于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的改進(jìn)FFT算法。數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科的開端。8信號(hào)的分類：(1)按獨(dú)立變量個(gè)數(shù)：一維(1-D)信號(hào):一個(gè)獨(dú)立自變量的函數(shù)，如語音，表示為x(t)、x(n)二維(2-D)信號(hào):兩個(gè)獨(dú)立自變量的函數(shù)，如圖象，表示為u(x,y)。多維(M-D)信號(hào):多個(gè)獨(dú)立自變量的函數(shù)，如彩色視頻信號(hào)，表示為：10一維信號(hào)：?jiǎn)卧~Away256Hz音叉信號(hào)注意聲音與頻率的關(guān)系虎鯨的聲音腦電圖(EEG)：11圖像信號(hào)：Multi-Dimensionalsignals黑白圖像：二維信號(hào)12黑白視頻信號(hào)：三維信號(hào)彩色視頻信號(hào)：三維三通道信號(hào)14（2）按自變量因變量的連續(xù)性分：

連續(xù)時(shí)間信號(hào)(continue-timesignal):自變量（一般為時(shí)間）連續(xù)有定義的，表示為x(t)，包括：（a）模擬信號(hào)(analogsignal)：時(shí)間連續(xù)、幅度連續(xù)的信號(hào)（b）量化矩形信號(hào)(quantizedboxcersignal):具有離散幅值的連續(xù)時(shí)間信號(hào)離散時(shí)間信號(hào)(discrete-timesignal)：自變量在離散時(shí)間點(diǎn)有定義表示為{x(n)}，包括：（a）數(shù)字信號(hào)(digitalsignal)：時(shí)間和幅度上都是離散(量化)的信號(hào)（b）采樣數(shù)據(jù)信號(hào)(sampled-datasignal)：具有連續(xù)幅值的離散時(shí)間信號(hào)數(shù)字信號(hào)可用一序列的數(shù)表示，而每個(gè)數(shù)又可表示為二制碼的形式，適合計(jì)算機(jī)處理15（2）按自變量因變量的連續(xù)性分：16(3)確定信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)

確定信號(hào)(deterministicsignal) 可以用一個(gè)定義好的過程（如數(shù)學(xué)表達(dá)式、規(guī)則或表）來唯一確定的信號(hào)。隨機(jī)信號(hào)(randomsignal) 隨機(jī)產(chǎn)生，無法預(yù)測(cè)的信號(hào)，一般用統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行分析。如白噪聲。

17系統(tǒng)：處理信號(hào)的物理設(shè)備?；蛘哒f，凡是能將信號(hào)加以變換以達(dá)到人們要求的各種設(shè)備。模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)。信號(hào)處理的內(nèi)容：濾波、變換、檢測(cè)、譜分析、估計(jì)、壓縮、識(shí)別等一系列的加工處理系統(tǒng)處理y(t)x(t)181.2典型的信號(hào)處理運(yùn)算時(shí)域(timedomain)：描述信號(hào)隨時(shí)間的變化。頻域(frequencydomain)：信號(hào)的頻譜(spectrum)頻譜：對(duì)信號(hào)中所含頻率分量的描述，用該頻率處的頻譜幅度表示。常用FFT(快速傅立葉變換)計(jì)算19中央C和弦CEG腦電圖(EEG)：201.2.1時(shí)域基本運(yùn)算縮放（scaling）：積分（integration）：求導(dǎo)（differentiation）：延時(shí)（delay）：加（addition）：乘（product）：典型信號(hào)處理操作

211.2.2濾波（filtering）

濾波：讓某些頻率分量無失真地通過系統(tǒng)，阻止另外的頻率分量 通過，以此改變信號(hào)的頻率特性，。

濾波器：完成濾波功能的系統(tǒng)。濾波器類型：低通濾波器(lowpassfilter)：通低頻，阻高頻高通濾波器(highpassfilter)則相反帶通濾波器(bandpassfilter)允許一定頻帶內(nèi)的頻率通過帶阻濾波器(bandstopfilter)允許一定頻帶以外的所有頻率通過多帶濾波器（multibandfilter）：多個(gè)通帶和阻帶梳狀濾波器（combfilter）：濾除某一頻率的整數(shù)倍頻率主要參數(shù)：通帶（passband）、阻帶（stopband）、截止頻率（cut-offfrequency）2223

數(shù)字濾波舉例CEG基頻CE基頻C基頻和弦CEG2425對(duì)于圖像（二維信號(hào)），低頻部分是指圖像中變化緩慢的部分，高頻部分對(duì)于邊緣或突變部分。數(shù)字濾波器是由一系列濾波器系數(shù)定義的，只需要簡(jiǎn)單改變?yōu)V波器系數(shù)就可以完成濾波器特性的修改高頻噪聲濾除：26自學(xué)：1.2.3復(fù)數(shù)信號(hào)的產(chǎn)生1.2.4幅度調(diào)制和解調(diào)1.2.5復(fù)用和解復(fù)用1.2.6正交幅度調(diào)制1.2.7信號(hào)的產(chǎn)生271.3典型信號(hào)舉例心電圖信號(hào)腦電圖信號(hào)地震信號(hào)柴油機(jī)信號(hào)語音信號(hào)音樂信號(hào)圖像281.4典型的信號(hào)處理應(yīng)用聲音記錄應(yīng)用電話撥號(hào)應(yīng)用調(diào)頻立體聲應(yīng)用電子音樂合成電話網(wǎng)中的回聲擬制291.5數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科介紹及應(yīng)用在國(guó)際上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里葉變換(FFT)的問世，作為數(shù)字信號(hào)處理這一學(xué)科的開端。而它的歷史可以追溯到17世紀(jì)--18世紀(jì)，也即牛頓和高斯的時(shí)代。數(shù)字信號(hào)處理的基本工具：微積分，概率統(tǒng)計(jì)，隨機(jī)過程，高等代數(shù)，數(shù)值分析，近代代數(shù)，復(fù)雜函數(shù)。數(shù)字信號(hào)處理的理論基礎(chǔ)：離散線性變換(LSI)系統(tǒng)理論，離散付里葉變換(DFT)。在學(xué)科發(fā)展上，數(shù)字信號(hào)處理又和最優(yōu)控制，通信理論，故障診斷等緊緊相連，成為人工智能，模式識(shí)別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字通信等新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。30多數(shù)科學(xué)和工程中遇到的是模擬信號(hào)。以前都是研究模擬信號(hào)處理的理論和實(shí)現(xiàn)。模擬信號(hào)處理缺點(diǎn)：難以做到高精度，受環(huán)境影響較大，可靠性差，且不靈活等。數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：體積小、功耗低、精度高、可靠性高、靈活性大、易于大規(guī)模集成、可進(jìn)行二維與多維處理隨著大規(guī)模集成電路以及數(shù)字計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，加之從60年代末以來數(shù)字信號(hào)處理理論和技術(shù)的成熟和完善，用數(shù)字方法來處理信號(hào)，即數(shù)字信號(hào)處理，已逐漸取代模擬信號(hào)處理。隨著信息時(shí)代、數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號(hào)處理已成為一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。31抗混疊濾波器A/D變換器數(shù)字信號(hào)處理器D/A變換器抗鏡像濾波器模擬xa(t)模擬ya(t)x(n)y(n)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成采樣→量化轉(zhuǎn)換為模擬電平→零階保持ADCDACDSP32模/數(shù)轉(zhuǎn)換模/數(shù)轉(zhuǎn)換：采樣（sampling），量化（quantization）33SampledsignalsDigitalsignals34數(shù)/模轉(zhuǎn)換35數(shù)/模轉(zhuǎn)換數(shù)/模轉(zhuǎn)換：數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，零階保持（zeroorderhold），抗鏡像濾波器進(jìn)行平滑。36數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科內(nèi)容信號(hào)的采集：包括A/D,D/A技術(shù)、抽樣定理、量化噪聲理論等離散信號(hào)分析：離散時(shí)間信號(hào)時(shí)域及頻域分析、離散付里葉變換(DFT)理論離散系統(tǒng)分析信號(hào)處理的快速算法:譜分析與快速付里葉變換(FFT)，快速卷積與相關(guān)算法。濾波技術(shù)

信號(hào)的估計(jì):各種估值理論、相關(guān)函數(shù)與功率譜估計(jì)信號(hào)的壓縮:包括語音信號(hào)與圖象信號(hào)的壓縮信號(hào)的建模:包括AR，MA，ARMA等各種模型其他特殊算法:同態(tài)處理、抽取與內(nèi)插、信號(hào)重建等數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用37數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法1.采用大、中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī):工作站和微機(jī)上各廠家的數(shù)字信號(hào)軟件，如有各種圖象壓縮和解壓軟件。2.用單片機(jī):可根據(jù)不同環(huán)境配不同單片機(jī)，其能達(dá)實(shí)時(shí)控制，但數(shù)據(jù)運(yùn)算量不能太大。3.利用通用DSP芯片:DSP芯片較之單片機(jī)有著更為突出優(yōu)點(diǎn)。如內(nèi)部帶有乘法器，累加器，采用流水線工作方式及并行結(jié)構(gòu)，多總線速度快。配有適于信號(hào)處理的指令(如FFT指令)等。美國(guó)德州儀器公司TexasInstrument（IT），AnalogDevices，Lucent，Motorola，AT&T等公司都有生產(chǎn)。4.利用特殊用途的DSP芯片:市場(chǎng)上推出專門用于FFT,FIR濾波器，卷積、相關(guān)等專用數(shù)字芯片。其軟件算法已在芯片內(nèi)部用硬件電路實(shí)現(xiàn)，使用者只需給出輸入數(shù)據(jù)，可在輸出端直接得到數(shù)據(jù)。38用通用的可編程的數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)法—是目前重要的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法，它即有硬件實(shí)現(xiàn)法實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又具有軟件實(shí)現(xiàn)的靈活性優(yōu)點(diǎn)。39數(shù)字信號(hào)處理大致可分為：信號(hào)分析和信號(hào)濾波信號(hào)分析涉及信號(hào)特性的測(cè)量。它通常是一個(gè)頻域的運(yùn)算。主要應(yīng)用于：譜(頻率和/或相位)分析、語音分析和識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)等。例如：（1）對(duì)環(huán)境噪聲的譜分析,可確定主要頻率成分,了解噪聲的成因,找出降低噪聲的對(duì)策;（2）對(duì)振動(dòng)信號(hào)的譜分析,可了解振動(dòng)物體的特性,為設(shè)計(jì)或故障診斷提供資料和數(shù)據(jù)。（3）對(duì)于高保真音樂和電視這樣的寬帶信號(hào)轉(zhuǎn)到頻率域后極大多數(shù)能量集中在直流和低頻部分,就可把頻譜中的大部分成分濾去,從而壓縮信號(hào)頻帶。40數(shù)字濾波就是在形形色色的信號(hào)中提取所需要的信號(hào),抑制不需要的信號(hào)或干擾信號(hào)。主要應(yīng)用于消除信息在傳輸過程中由于信道不理想所引起的失真濾除不需要的背景噪聲去除干擾頻帶分割，信號(hào)譜的成形它廣泛地應(yīng)用于數(shù)字通信，雷達(dá)，遙感，聲納，語音合成，圖象處理，測(cè)量與控制，高清晰度電視，多媒體物理學(xué)，生物醫(yī)學(xué)，機(jī)器人等。41DSP的典型應(yīng)用通信：GSM/蜂窩電話，CDMA，OFDM；語音處理：語音編碼、語音合成、語音識(shí)別、語音增強(qiáng)、語音郵件、語音儲(chǔ)存等。圖像/圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識(shí)別、動(dòng)畫、機(jī)器人視覺、多媒體、電子地圖、圖像增強(qiáng)等。軍事；保密通信、雷達(dá)處理、聲吶處理、導(dǎo)航、全球定位、跳頻電臺(tái)、搜索和反搜索等。儀器儀表：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、地震處理等。自動(dòng)控制：控制、深空作業(yè)、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等。醫(yī)療：助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)、心電圖等。家用電器：數(shù)字音響、數(shù)字電視、可視電話、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲等。42生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理舉例：CT：計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影裝置。（其中發(fā)明頭顱CT英