《數字信號處理》第3版 課件 第00章 緒論

緒論1.什么是數字信號2.什么是數字信號處理3.數字信號處理的實現4.數字信號處理的優(yōu)勢5.數字信號處理的應用6.本課程的內容121.什么是數字信號信息是客觀世界中各種事物的狀態(tài)和特征的反映，是消息中包含的有意義的內容。我們把信息的載體和表現形式稱為信號。表示成信號的分類:電信號、磁信號、聲音信號、光信號、機械信號和熱信號等；一維、二維和多維信號；周期信號和非周期信號；確定信號和隨機信號;連續(xù)時間信號、離散時間信號、模擬信號和數字信號：自變量和幅值均連續(xù)的信號稱為模擬信號；自變量和幅度均離散的信號稱為數字信號；自變量連續(xù)而幅值連續(xù)或離散的信號統(tǒng)稱為連續(xù)時間信號；自變量離散而幅值連續(xù)或離散的信號統(tǒng)稱為離散時間信號。

信號的分類3數字信號的本質是用有限數量的有限精度的數字表示信號4自然界產生的信號一般都是模擬信號，數字信號由數字設備直接產生或從模擬信號轉換得到，稱為模數轉換（A/D：AnalogtoDigital）。在某些情況下，還需要將數字信號轉換成模擬信號，稱為數模轉換（D/A：DigitaltoAnalog）。5（4）CD光盤：數字和模擬聲音信號舉例數字記錄聲帶等震動麥克風的電壓變化模擬記錄（1）磁帶：（2）乙烯樹脂唱片：（3）磁盤：用磁性強弱記錄用密布的波狀溝紋記錄用微粒被吸引至兩個方向之一記錄0和1用鋁層表面的凹凸不平記錄0和1模擬信號數字信號（2進制）氣壓變化和傳播62.什么是數字信號處理系統(tǒng)分類：連續(xù)時間系統(tǒng)：輸入輸出都是連續(xù)時間信號的系統(tǒng)；離散時間系統(tǒng)：輸入輸出都是離散時間信號的系統(tǒng)；模擬系統(tǒng)：輸入輸出都是模擬信號的系統(tǒng)；數字系統(tǒng)：輸入輸出都是數字信號的系統(tǒng)；數字信號處理的本質特點：

由加法、乘法和延遲三種基本操作構成。模擬和數字系統(tǒng)對比舉例7差分方程連續(xù)時間低通濾波器離散時間低通濾波器(>0)的信號流圖電阻、電容、運放等電子元件組成的物理網絡加法、乘法、延遲單元組成的硬件或軟件程序

一維數字低通濾波舉例一維數字高通濾波舉例低通濾波（3X3模板）高通濾波（3X3模板）二維數字濾波器舉例二維數字低通濾波舉例

（9*9模版）二維數字高通濾波舉例

（9*9模版）133.軟硬結合3.數字信號處理的實現1.純軟件實現2.純硬件實現功能靈活；速度較慢速度快，體積小；功能不靈活速度快，功能靈活微控制器FPGA通用可編程DSP芯片（DigitalSignalProcessor）DSP芯片的特點采用改進的哈佛總線結構（可同時存取指令和數據）；有硬件乘法器；使用流水線結構；有片內內存；有一套專為數字信號處理設計的尋址方式（例如循環(huán)尋址和倒位序尋址）和指令系統(tǒng)（例如乘加指令）；多芯片并行運行。CPU存儲器（數據和指令）總線普林斯頓結構（又稱馮?諾依曼結構）CPU指令存儲器數據存儲器總線總線哈佛結構16 TI：定點TMS320C1X,TMS320C2X/C2XX,TMS320C5X/C54X,TMS320C62XX

浮點TMS320C3X/C4X/C8X/C67XX。

ADI:定點ADSP21XX；浮點ADSP21XXX AT&T:定點DSP16,DSP16A,DSP16C,DSP1610,DSP1616； 浮點DSP32,DSP32C,DSO3210

MOTOROLA:定點MC56000,MC56001,MC56002;

浮點MC96002;

專用：MC56200,MC56156DSP芯片舉例17浮點與定點芯片的主要優(yōu)劣比較類型動態(tài)范圍精度字長程序開發(fā)周期功耗速度價格浮點大高32位（可擴至40）短高慢高定點小低16位長低快低18系統(tǒng)必須在有限的時間內對外部的輸入信號完成指定的處理，即信號處理的速度必須大于或等于信號更新（采集或回放）的速度；從信號輸入到處理后信號輸出的延遲必須足夠小。實時實現機制

算法復雜度 實時性取決于 數據量（采樣率） 設備的處理速度緩沖大小乒乓緩沖19例如：音頻信號的采樣及壓縮（DSP或CPU執(zhí)行程序）分配乒乓（雙）緩沖或循環(huán)（多）緩沖，每個緩沖大小為一幀。中斷程序將采集的數據放在乒緩沖內，同時主程序對乓緩沖內的數據取數進行壓縮。 如果乒緩沖被放滿前，乓緩沖的數據已被壓縮完并存入硬盤，則壓縮程序等待乒緩沖放滿，然后壓縮乒緩沖的數據，中斷程序繼續(xù)采樣并將數據放入乓緩沖，也就是兩個緩

沖交換。這就是實時處理。

如果處理速度低于采樣速度，則當乒緩沖被放滿時，乓緩沖的數據還未被壓縮完，中斷程序就要等待壓縮程序，即采樣的部分數據被丟掉不處理，這就是不能達到實時處理。設采樣率48KHz，幀長為1152個采樣點。則采樣一幀的時間為1152/48k=24ms，所以壓縮一幀的時間須小于24ms，

延時=采樣時間+處理時間。又如：音頻信號的解壓及回放解壓后的數據幀和正在回放的數據幀分別放在乒乓緩沖中。解壓程序速度必須高于回放速度。

204.數字信號處理的優(yōu)勢(3)可靠性和可重復性好(1)處理精度高：(2)靈活性好數字系統(tǒng)的精度由字長決定，易于控制；模擬系統(tǒng)處理精度取決于器件的參數誤差，一般誤差較大，提高精度困難，難以控制。改變硬件系統(tǒng)存儲器中的系數或軟件指令即可改變功能。模擬系統(tǒng)元器件的參數受環(huán)境溫度影響；數字電路主要工作在截止和飽和狀態(tài)，對電路參數要求不高，產品成品率高，受環(huán)境溫度的影響小，易于電腦處理。21(6)處理功能多

(4)小巧廉價(5)有可預見性數字部件有高度規(guī)范性，易于大規(guī)模集成可用軟件仿真的手段得到結果無損壓縮、

線性相位、糾錯編碼、

中繼再生。

22數字基帶信號和2FSK調制信號舉例無論基帶信號還是調制信號都只有2個或多個區(qū)分度明顯的狀態(tài)，易于識別和修復。只有2個狀態(tài)是數字信號抗干擾能力強、設備成品率高等優(yōu)點的根本性原因23(1)數據量大，壓縮很關鍵而MP3僅為128kbps=16k字節(jié)/S，壓縮比12：1，雙聲道需存儲空間1M/分鐘假設用48kHz、16bit來進行立體聲采樣比特率為：48000*16*2/8=192K字節(jié)/S一個漢字在電腦里占用兩個字節(jié)，192K字節(jié)可以存儲9.6萬個漢字（一部中篇小說）。

未壓縮的視頻信號數據量640*480*24幀/秒=27Mby