數(shù)字信號處理程

數(shù)字信號處理2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系1教材與參考書教材：《數(shù)字信號處理教程》（第二版）程佩青，清華大學參考書：《數(shù)字信號處理》鄭南寧，西安交大《DiscreteTimeSignalProcessing》

AlanV.Oppenheim&RonaldW.Schafer2ndEdition,Prentice-Hall，2001《離散時間信號處理》奧本海姆，高教《信號與系統(tǒng)》鄭君里，高教2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系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)字信號處理的特點四、數(shù)字信號處理的學科概貌五、數(shù)字信號處理的應用六、本課程的主要內(nèi)容2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系3一、數(shù)字信號處理的基本概念DSP(DigitalSignalProcessing)是近幾十年發(fā)展起來的一門新興學科。DSP是利用計算機或專用設備，以數(shù)值計算的方法對信號進行采集、變換、綜合、估值、識別等加工處理，以達到提取信息和便于應用的目的的一門學科。2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系41、信號概念信號: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。一般信號是一個或多個獨立變量的函數(shù)。(e.g.:i(t),v(t),g(x,y)).獨立變量:時間、距離、速度、位置、溫度和壓力等。2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系5信號分類信號分類：

依載體：電、磁、聲、光、熱、機械信號；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、隨機信號；依能量或功率是否有限：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)；2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系6

波形：信號幅度隨獨立變量變化的函數(shù)，通常

一維信號的獨立變量為時間。信號分類（續(xù)）傳感器得到的信號都要先變成電信號(連續(xù)時間信號)。連續(xù)時間信號：用電壓或電流去模擬其他物理量所得到的信號，獨立時間變量連續(xù)有定義{x(t)}。模擬信號：信號幅值連續(xù)有定義的連續(xù)時間信號。離散時間信號：由連續(xù)時間信號經(jīng)離散化得到，亦可客觀存在，獨立時間變量在離散時間點有定義{x(nT)}。數(shù)字信號：在時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。本質上，它只是一系列的“數(shù)”，且通常用二進制編碼表示。關系：連續(xù)時間信號采樣離散時間信號量化數(shù)字信號模擬經(jīng)A/D變換得數(shù)字；數(shù)字經(jīng)D/A變換得模擬。2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系7連續(xù)時間信號轉換為數(shù)字信號舉例1.連續(xù)時間信號：CTS(ContinuousTimeSignal/AnalogSignal)—x(t)2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系8（在離散時間點上取值）2.離散時間信號：DTS(DiscreteTimeSignal/Sequence)—x[n]離散時間信號例子（1）股票指數(shù)：2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系9人口統(tǒng)計：離散時間信號例子（2）溫度測量2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系10離散時間信號例子（3）

連續(xù)信號的離散化：2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系11離散時間信號例子（4）

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音樂信號：圖象：2、系統(tǒng)概念系統(tǒng)：處理信號的物理設備。軟件編程（運算或操作）也可看成為系統(tǒng)。系統(tǒng)依所處理的信號種類可分為四類：模擬系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)。系統(tǒng)依性質可分為：線性的或非線性的、時（移）不變的或時（移）變的、因果的或非因果的系統(tǒng)等。2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系133、信號處理概念信號處理是指利用適當?shù)南到y(tǒng)對信號進行處理（變換）。數(shù)字信號處理的內(nèi)容包括：

信號表示：時域和頻域表示；

信號變換：DTFT、DFT、ZT，以及FFT；

信號處理：濾波、壓縮、調(diào)制及解調(diào)和信號分析;

信號運算：延遲、加、減、乘和卷積。2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系14二、數(shù)字信號處理系統(tǒng)基本組成模擬信號的數(shù)字化處理系統(tǒng)構成：2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系15前置預濾波器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)各單元的作用：前置預濾波器：濾除高于某一頻率的信號，防混迭。A/D變換器：完成抽樣和量化，實現(xiàn)數(shù)字化。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：數(shù)字信號變換成模擬信號。模擬濾波器：濾除不需要的高頻分量。3.數(shù)字信號處理(DSP)的實現(xiàn)方法：軟件：指的是按照原理和算法，自己編寫程序或者采用現(xiàn)成的程序在通用計算機上實現(xiàn)。軟件法靈活，但速度慢，達不到實時處理要求。專用硬件：指的是按照具體的要求和算法，設計硬件結構圖，用乘法器、加法器、延時器、控制器、存儲器以及輸入輸出接口部件實現(xiàn)的一種方法。硬件法速度快，但是不夠靈活。通用DSP芯片：采用專用的數(shù)字信號處理芯片（DSP）是目前發(fā)展最快、應用最廣的一種方法。它內(nèi)部配有乘法器和累加器，結構上采用流水線工作方式以及并行結構、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)進入市場，速度高、體積小、性能優(yōu)良，價格也在不斷下降。2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系16數(shù)字信號處理過程的波形示意圖A/D變換：(抽樣與量化）2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系17-30123435474nT2T-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)2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系18y(n)01234n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：2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系190y(t)三、數(shù)字信號處理的特點優(yōu)點：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)字信號可存儲、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。2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系20數(shù)字信號處理的優(yōu)點（續(xù)）5.時分復用2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系21數(shù)字信號處理器同步多路開關多路開關輸出輸入......數(shù)字信號處理的優(yōu)點（續(xù)）

6.可獲得高性能指標如頻譜分析：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一禎或數(shù)禎圖象信號，實現(xiàn)二、多維處理。缺點：

1.增加復雜性（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)。2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系22四、數(shù)字信號處理的學科概貌1.信號的采集：實現(xiàn)信號的數(shù)字化，包括取樣、量化。2.信號的分析：信號描述與運算，各種變換，時、頻域分析，DFT。3.系統(tǒng)分析：線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)，時變系統(tǒng)與時不變系統(tǒng)，線性時（移）不變系統(tǒng)，因果系統(tǒng)與非因果系統(tǒng)，線性時（移）不變因果系統(tǒng)。4.快速算法：

FFT,WFT，快速卷積、相關算法。5.數(shù)字濾波技術：(1)IIR數(shù)字濾波器的分析與設計；(2)FIR數(shù)字濾波器的分析與設計。6.功率譜估計與相關函數(shù)估計。7.信號壓縮（語音、圖像）。8.信號建模（AR、MA、ARMA）。2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系23五、數(shù)字信號處理的應用與發(fā)展應用：（1）濾波與變換：數(shù)字濾波/卷積、相關；（2）通信：各種調(diào)制/解調(diào)、自適應均衡、糾錯、擴頻、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、復原重建、分割、識別、動畫、視覺；（5）消費電子;（6）儀器儀表：（7）工控自動化；（8）醫(yī)療；（9）軍事；雷達、聲納、導航、GPS、衛(wèi)星、航空航天。2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系24DSP應用舉例（1）濾波——選頻濾波e.g.:多正弦信號：2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系25DSP應用：回波對消(I)（2）回波對消（來自遠方的輸入信號既耦合至耳機，又耦合至話筒傳回去，產(chǎn)生回聲）2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系26DSP應用：回波對消(II)對消方法：（將輸入一方面送入混合線圈，另一方面又送入自適應濾波器與泄露至話筒的回聲進行對消）2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系27應用：語音處理（3）語音處理均衡;編碼與壓縮多聲道模擬、混響效果2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系28應用：信號預測（4）信號預測2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系29應用：信號傳送（5）語音傳輸2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系30應用：圖象處理（I）（6）圖像處理：邊緣檢測2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系31應用：圖象處理（II）

2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系32邊沿檢測原理：

邊沿信號x[n]:邊沿檢測濾波器h[n]:數(shù)字信號處理的應用與發(fā)展（續(xù)）發(fā)展方向：（1）數(shù)字匯聚（融合）：信號處理、通信、計算機；（2）遠程會議；（3）融合網(wǎng)絡：公眾通信網(wǎng)、計算機網(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）個人信息終端：PDA、個人通信系統(tǒng)。2023/2/4大連海事大學信息學院電子信息科學與技術系33六、本課程的主要內(nèi)容第一章離散時間信號與系統(tǒng)(復習）第二章Z變換（復習）第三章離散傅立葉變換（DFT）第四章快速傅立葉變換（