數(shù)字信號(hào)處理 第2版 課件01緒論

——緒論數(shù)字信號(hào)處理一、課程發(fā)展歷史及定位2023/11/1321990S1980S1970S1960S興起理論和算法研究FFT提出數(shù)字產(chǎn)品普及，價(jià)格下降DSP芯片誕生,民用化1920S0106信息與通信工程生物醫(yī)學(xué)工程環(huán)境工程電器工程航空工程動(dòng)力工程SHUZIXINHAOCHULI數(shù)字信號(hào)處理0203040605應(yīng)用領(lǐng)域《數(shù)字信號(hào)處理》課程名稱：課程類型：電子信息類專業(yè)面向?qū)ο螅簩I(yè)基礎(chǔ)類必修課學(xué)習(xí)了《高等數(shù)學(xué)》、《數(shù)理方程》、《信號(hào)與系統(tǒng)》等基礎(chǔ)課程，進(jìn)入專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)階段前置基礎(chǔ)：大三本科學(xué)生通識(shí)教育學(xué)科基礎(chǔ)專業(yè)方向數(shù)理基礎(chǔ)人文社科電路分析基礎(chǔ)信號(hào)與系統(tǒng)……信息與通信工程電子科學(xué)與技術(shù)控制工程……電子電路課程群信號(hào)處理課程群電磁場課程群電路分析基礎(chǔ)模電\數(shù)電\高頻數(shù)字信號(hào)處理信號(hào)與系統(tǒng)……天線與微波技術(shù)電磁場與電磁波電磁兼容……微機(jī)原理隨機(jī)信號(hào)處理信號(hào)處理課程群信號(hào)與系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理信號(hào)分析處理實(shí)驗(yàn)

……原理技術(shù)DSP原理與實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

研究利用計(jì)算機(jī)或通用（專用）處理設(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工處理（如變換、濾波、增強(qiáng)、識(shí)別、估計(jì)、壓縮等），從而達(dá)到提取信息和應(yīng)用的一門科學(xué)。二、為什么要學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理1、生活環(huán)境數(shù)字化數(shù)字化決定著我們的未來程控交換機(jī)取代模擬交換機(jī)6G、5G、GSM和CDMA取代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)字相機(jī)普及，膠卷行業(yè)和洗印業(yè)……數(shù)字電視取代模擬電視……以計(jì)算機(jī)、人工智能為中心的技術(shù)革命改變了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)、教育、國防的面貌，也改變了人們的生活習(xí)慣乃至思維習(xí)慣…….二、為什么要學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理1、生活環(huán)境數(shù)字化2、生活方式網(wǎng)絡(luò)化3、生活手段智能化頻域分析時(shí)域分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)濾波器設(shè)計(jì)算法原理數(shù)字濾波器基礎(chǔ)理論離散傅里葉變換快速算法《數(shù)字信號(hào)處理》信號(hào)分類數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用舉例目錄數(shù)字信號(hào)處理理論體系基本概念什么是信息？

信息是指存在于客觀世界的一種事物形象，是關(guān)于事物運(yùn)動(dòng)規(guī)律的知識(shí)。

一般泛指消息、情報(bào)、指令、數(shù)據(jù)等有關(guān)周圍環(huán)境的知識(shí)。什么是信號(hào)？

信號(hào)是承載信息的某種物理量。聲音圖像信息聲音圖像視頻/電影信息信息的載體信號(hào)黑白圖片將光強(qiáng)度表示為兩個(gè)空間坐標(biāo)的函數(shù)；電視、電影等視頻信號(hào)由多個(gè)連續(xù)播放的幀圖像組成，相比較靜止圖像，多了時(shí)間這個(gè)坐標(biāo)軸。基本概念信息的載體信號(hào)基本概念實(shí)信號(hào)與復(fù)信號(hào)單通道信號(hào)與多通道信號(hào)一維信號(hào)與多維信號(hào)確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)連續(xù)時(shí)間信號(hào)與離散時(shí)間信號(hào)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)一、信號(hào)的分類。。。。。。（1）實(shí)信號(hào)與復(fù)信號(hào)一、信號(hào)的分類

信號(hào)取值為實(shí)數(shù)的信號(hào)稱為“實(shí)值信號(hào)”，簡稱實(shí)信號(hào)；而取值為復(fù)數(shù)的信號(hào)稱為“復(fù)值信號(hào)”，簡稱復(fù)信號(hào)。一、信號(hào)的分類（2）單通道信號(hào)與多通道信號(hào)單通道信號(hào)：信號(hào)在每個(gè)時(shí)刻的取值是一個(gè)值。

如：心音信號(hào)多通道信號(hào)：信號(hào)在任一時(shí)刻的取值是多個(gè)值組成的一個(gè)向量。

如：陣列天線同時(shí)接收的多個(gè)目標(biāo)信號(hào)；

進(jìn)行大樓振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)接收到的不

同樓層和不同位置的傳感器信號(hào)。（3）一維信號(hào)與多維信號(hào)一、信號(hào)的分類一維信號(hào)：一個(gè)自變量的函數(shù)。二維信號(hào)：兩個(gè)自變量的函數(shù)。黑白照片中每個(gè)點(diǎn)具有不同的光強(qiáng)度，是空間坐標(biāo)變量的二維信號(hào)

；多維信號(hào)：三維以上信號(hào)稱為多維信號(hào)，是多個(gè)自變量的函數(shù)。視頻圖像是多維信號(hào)，視頻流中任一幀上的亮度值是時(shí)間和空間的三維信號(hào)

。xy一、信號(hào)的分類（4）確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)確定信號(hào)：信號(hào)取值能用某種方式（如解析式、波形或數(shù)據(jù)表

格等）精確描述。過去、現(xiàn)在和未來值都能精確

知道。隨機(jī)信號(hào)：特性服從某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，無法對(duì)未來取值精確預(yù)知。

（5）連續(xù)時(shí)間信號(hào)、離散時(shí)間信號(hào)與數(shù)字信號(hào)一、信號(hào)的分類連續(xù)時(shí)間信號(hào)：自變量是定義在時(shí)間軸上的連續(xù)變量。離散時(shí)間信號(hào)：自變量僅在時(shí)間軸的離散點(diǎn)上取值。

離散時(shí)間信號(hào)可以由信號(hào)源產(chǎn)生，也可以通過對(duì)連續(xù)信號(hào)采樣得到。（5）連續(xù)時(shí)間信號(hào)、離散時(shí)間信號(hào)與數(shù)字信號(hào)一、信號(hào)的分類模擬信號(hào)：幅度取值連續(xù)、自變量取值也連續(xù)的信號(hào)。幅度離散信號(hào)：時(shí)間取值連續(xù)，幅度取值離散的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)：時(shí)間和幅度上都取離散值的信號(hào)。

如通過喇叭里播放的音樂信號(hào)是模擬信號(hào)。

存儲(chǔ)在MP3、MP4中的音樂信號(hào)是對(duì)模擬信號(hào)采樣量化編碼后的數(shù)字信號(hào)。（6）周期信號(hào)與非周期信號(hào)（7）能量信號(hào)與功率信號(hào)一、信號(hào)的分類（1）連續(xù)/離散時(shí)間系統(tǒng)（2）模擬/數(shù)字系統(tǒng)一、信號(hào)系統(tǒng)的分類（3）線性/非線性系統(tǒng)（4）時(shí)變/時(shí)不變系統(tǒng)（5）因果/非因果系統(tǒng)（6）穩(wěn)定/非穩(wěn)定系統(tǒng)二、數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)

靈活性強(qiáng)：數(shù)字系統(tǒng)的性能主要由乘法器的系數(shù)決定，

只要改變存儲(chǔ)器中的系數(shù)就可得到不同的系統(tǒng)。精度高：模擬系統(tǒng)的精度由元器件決定，而數(shù)字系統(tǒng)只要字長夠就可達(dá)到足夠的精度。一般模擬元器件的精度很難達(dá)到10-3以上，而數(shù)字系統(tǒng)的精度可達(dá)到10-5以上。所以在高精度系統(tǒng)中，有時(shí)只能采用數(shù)字系統(tǒng)?？煽啃愿撸阂?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)只有兩個(gè)信號(hào)電平“0”“1”。因而受周圍環(huán)境的溫度及噪聲的影響較小。而模擬系統(tǒng)的各元器件都有一定的溫度系數(shù)，易受環(huán)境條件，如溫度、振動(dòng)、電磁感應(yīng)等影響，容易產(chǎn)生雜散效應(yīng)甚至振蕩，且電平是連續(xù)變化的。二、數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)

易于大規(guī)模集成。由于數(shù)字部件具有高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成、大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品成品率高。采用大規(guī)模集成電路，其故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用眾多分立元件構(gòu)成的模擬系統(tǒng)。時(shí)分復(fù)用。就是利用數(shù)字信號(hào)處理器同時(shí)處理幾個(gè)通道的信號(hào)。在同步器控制下，在某一路信號(hào)的相鄰兩抽樣之間的空隙中送入其他路的信號(hào)，各路信號(hào)用同一個(gè)信號(hào)處理器?？色@得高性能的指標(biāo)。如FIR可獲得線性相位特性，模擬系統(tǒng)難以得到某些高性能指標(biāo)。二維與多維處理：利用龐大的存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ)圖像信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二維甚至多維信號(hào)。二、數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)數(shù)字系統(tǒng)的性能主要決定于乘法器的系數(shù)，且系數(shù)存放于存儲(chǔ)器內(nèi)，只需調(diào)整存儲(chǔ)的系數(shù)，就可得到不同的系統(tǒng)，比改變模擬系統(tǒng)方便得多。數(shù)字系統(tǒng)的處理速度還不夠高，因而不能處理超高頻率的信號(hào)。(因?yàn)槌闃宇l率要滿足奈奎斯特采樣定理)另外，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，對(duì)一些技術(shù)要求不高的工程應(yīng)用來說，還不宜使用。模擬信號(hào)處理也是不可或缺的（1）實(shí)時(shí)性模擬系統(tǒng)：除電路引入的延時(shí)外，信號(hào)處理是實(shí)時(shí)的。

數(shù)字系統(tǒng)：實(shí)時(shí)性由數(shù)字芯片的處理速度所決定。（2）對(duì)高頻信號(hào)的處理

模擬系統(tǒng)：可以處理包括微波、毫米波，乃至光波信號(hào)。

數(shù)字系統(tǒng)：要滿足奈奎斯特定律的要求，而且受A/D轉(zhuǎn)換速度和CPU處理速度的限制。（3）模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)絕大多數(shù)是模擬信號(hào)（溫度、速度、壓力等），它們被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后也是模擬的（電流、電壓等）。要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化處理，必須首先進(jìn)行轉(zhuǎn)換。平滑濾波濾波A/D轉(zhuǎn)換DSP系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換輸入輸出三、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)三、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)典型數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框圖四、數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的主要研究對(duì)象是數(shù)字信號(hào)，且是采用數(shù)值運(yùn)算的方法達(dá)到處理的目的，可以軟件實(shí)現(xiàn)，也可以硬件實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)是指在通用計(jì)算機(jī)上，通過軟件編程對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)期處理。

信號(hào)處理軟件可由使用者使用各種計(jì)算機(jī)語言編寫，也可使用各研究機(jī)構(gòu)推出的軟件包。應(yīng)用軟件：CoolEdit、Photoshop、CD播放器等計(jì)算機(jī)語言：Fortran、C、VC、MATLAB等四、數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)四、數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn)

是指采用通用或?qū)Ｓ肈SP芯片及其他IC構(gòu)成的硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理。專用芯片：PDSP16510____FFT（EGC公司）

AMBE-1000____聲碼器（LUCENT公司）通用芯片：TMS320系列（TI公司）

ADSP21X系列（AD公司）

DSP16，DSP32系列（AT&T公司）

DSP56X系列（Motorola公司）國產(chǎn)DSP：泰芯半導(dǎo)體、魂芯二號(hào)（38所）FPGA：京微雅格、復(fù)旦微電子、高云四、數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn)方法靈活，通過修改程序中的有關(guān)參數(shù)即可改變算法功能，但其運(yùn)算速度較慢；而硬件實(shí)現(xiàn)方法運(yùn)算速度快，但靈活性不夠。（1）心電圖（ECG）信號(hào)五、信號(hào)處理應(yīng)用舉例RPTQSU純凈心電信號(hào)的一個(gè)波組某測(cè)量儀器獲取的一個(gè)心電波組

增強(qiáng)增強(qiáng)（2）圖像增強(qiáng)分割（3）圖像分割五、數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用舉例（4）雷達(dá)信號(hào)處理雷達(dá)回波雷達(dá)圖像成像算法目標(biāo)檢測(cè)目標(biāo)識(shí)別識(shí)別結(jié)果五、數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用舉例（4）雷達(dá)信號(hào)處理旋轉(zhuǎn)金屬球目標(biāo)暗室試驗(yàn)場景視頻二維成像結(jié)果視頻三維成像五、數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用舉例（4）雷達(dá)信號(hào)處理0°45°180°五、數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用舉例數(shù)據(jù)壓縮導(dǎo)航定位生命體征監(jiān)測(cè)五、數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用舉例理論與技術(shù)應(yīng)用雷達(dá)聲納通信生物醫(yī)學(xué)航空航天地球物理振動(dòng)工程自動(dòng)化天文六、數(shù)字信號(hào)處理理論體系現(xiàn)代信號(hào)處理對(duì)象理論非高斯、非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)變、非因果、非線性系統(tǒng)時(shí)頻分析小波變換高階統(tǒng)計(jì)量古典信號(hào)處理高斯、平穩(wěn)信號(hào)時(shí)不變、線性、因果系統(tǒng)二階矩離散傅立葉變換Z變換課外參考期刊：《IEEETransactionsonSignalProcessing》國際電子電器工程師協(xié)會(huì)《信號(hào)處理》中國電子學(xué)會(huì)信號(hào)處理分會(huì)小結(jié)深刻理解數(shù)字信號(hào)處理的概念，領(lǐng)會(huì)其內(nèi)涵。