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数字信号处理

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  1. 数字信号处理 数字信号处理 Digital Signal Processing 广东海洋大学信息学院 学时:54学时(实验10学时) 学分:3学分 主讲教师:张培珍Email:zpzhen@sohu.com

  2. Digital Media Processing Telematics Industry-Specific PDAs Military and Government Cellular, Secure Connectivity 数字信号处理 Enhanced Gaming Webpad Wireless Devices:802.11, Bluetooth, Others Biometrics Medical Devices

  3. Telematics

  4. 数字信号处理 密歇根大学数字化工厂

  5. 数字信号处理 教科书 数字信号处理 普通高等教育“十五”国家级规划教材 高等教育出版社 吴镇扬 编著

  6. 数字信号处理 主要内容与学时 绪论 2学时 第一章 离散时间系统 6学时 第二章 DFT及FFT 8学时 第三章 IIR DF的设计 10学时 第四章 FIR DF的设计 10学时 第五章 DSP系统的实现 6学时 实验 10学时

  7. 全书内容分布结构

  8. 数字信号处理 先修课程 • 1、数学工具 • 微积分,概率统计,随机过程,高等数学,数值分析,积分变换,复变函数等。 • 2、信号与系统 • 3、Matlab语言 • 4、数字信号处理的理论基础:离散线性变换系统理论,离散傅里叶变换。

  9. 数字信号处理 参考书 一、经典的: 1. A.V.Oppenheim ,“Digital Signal Processing” , 1975. 中译本有多种 离散时间信号处理 [美]A.V奥本海姆 R.W.谢弗编 科学出版社

  10. 数字信号处理 二、较新的: 2、数字信号处理 丁玉美等 西安电子出版社 2001 3、基于Matlab的系统分析与设计--信号处理 楼顺天,李博菡编著。西安电子科大出版社

  11. 数字信号处理 参考网站 • http://www.cw.njupt.edu.cn/dsp/ 南京邮电大学 • http://cddz.ccu-edu.cn/dsp/index.htm • 长春工业大学

  12. 数字信号处理 学习方法一: 数字信号处理以信号系统的一般理论为基础,在理论体系上发展专门适合于离散时间上的信号分析原理和方法,在实践上发展适合于计算机处理的器件和设备,在应用上建立针对不同信号的模型和计算方法。 书本教材,电子教材并重.

  13. 数字信号处理 学习方法二: 本课程具有很强的理论性和实践性,学习时应充分利用课程所开设实验和仿真实验。可以这么来归纳工程师们在数字信号处理领域所取得的成就:理论-模型-算法-工程实现-应用最终解决问题的一定是可以运行的代码或者设备。 理论学习、实践学习、研究学习 三元并重. 只有通过足够的实验和仿真实验操作,才能得到应有的实际动手能力培养和更好的掌握书本知识。

  14. 数字信号处理 绪 论 1 信号、系统和信号处理 2数字信号处理系统 3数字信号处理的实现方法 4数字信号处理的研究内容 5 数字信号处理的特点 6 应用 7 发展趋势

  15. 前言 • 过去,信号处理一直采用模拟设备来 完成。近代,数字计算机的出现和大规模集成技术的高速发展,为信号处理提供了强有力的手段。在电子技术各个领域,例 如雷达、声纳、语言通信、数字通讯等,正日益广泛的用数字方法替代模拟方法实现信号处理。因此,从本世纪60年代以来,逐步形成了一门新的学科——数字信号处理。

  16. 数字信号处理 一、 信号、系统和信号处理 1、信号定义: 信号是一个或多个独立变量的函数, 该函数含有物理系统的信息或表示物理系统状态或行为。 (e.g.: i(t),v(t),g(x,y)). 独立变量: 时间、距离、速度、位置、温度和压力等

  17. A 0 t 数字信号处理 信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的,在介绍信号分类前,先建立信号波形的概念。 声级计 振动弦(声源) 记录仪 信号波形图:用被测物理量的强度作为纵坐标,用时间做横坐标,记录被测物理量随时间的变化情况。

  18. 数字信号处理 二、信号分类 1)按独立变量个数可分: 1-dimensional (1-D):单个独立变量的一维函数, e.g轨迹跟踪 2-D:两个独立变量的二维函数, e.g. 图象信号。 M-D:多个独立变量的多维函数, e.g. 彩色视频信号(RGB) 。.

  19. 简单的测试系统可以只有一个模块,如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路,很简单,但精度底,无法实现测量自动化。简单的测试系统可以只有一个模块,如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路,很简单,但精度底,无法实现测量自动化。 为提高测量精度和自动化程度,以便于和其它环节一起构成自动化装置,通常先将被测物理量转换为电量,再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。 数字信号处理 2)按载体: 电信号、磁信号、声信号、光信号、热信号、 机械信号。

  20. 简单周期信号 准周期信号 复杂周期信号 瞬态信号 数字信号处理 3)按周期性: 周期信号x(t)=x(t+kT); 非周期信号。

  21. 噪声信号(平稳) 噪声信号(非平稳) 统计特性变异 数字信号处理 4)按是否为确定函数: 分为确定信号;随机信号。

  22. 噪声信号(平稳) 瞬态信号 复杂周期信号 数字信号处理 5)按能量或功率是否有限: 能量信号(能量有限);功率信号(功率有限)。 一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。 一般持续时间无限的信号都属于功率信号。

  23. 数字信号处理 6)按独立变量定义域和信号值域分 • 连续时间信号 • CTS (Continuous-Time Signals) • 模拟信号 • AS( Analog Signals ) • 离散时间信号 • DTS (Discrete-Time Signals) • 数字信号 • DS(Digital Signals)

  24. 数字信号处理 7) 物理可实现信号与物理不可实现信号 a) 物理可实现信号:又称为单边信号,满足条件:t<0时,x(t) = 0,即在时刻小于零的一侧全为零。 b) 物理不可实现信号:在事件发生前(t<0)就预知信号。

  25. 数字信号处理 三、系统 • 1、定义:系统是将信号进行处理(或变换)以达到人们要求的各种设备。系统可以是硬件的,也可以是软件编程实现的。 • 2、系统的分类(按所处理的信号种类不同分类) • - 连续时间信号系统 • - 模拟信号系统 • - 离散时间信号系统 • - 数字信号系统

  26. 数字信号处理 四、数字信号处理 1 数字处理的产生,发展 2 数字信号处理的定义 3 数字信号处理的实现方法 4 数字信号处理系统的基本组成 5数字信号处理的特点 6 数字信号处理的应用领域 7 数字信号处理技术的方向

  27. 数字信号处理 1 数字处理的产生 • 根据粗略的估计,人类获得信息的主要来源是听觉(约占5%)与视觉(约占90%),其它还有味 觉、触觉及嗅觉等。在六十年代初期之前,对信息的处理方式主要限于模拟方式。对于非专业的人士来说,接触数字化信息处理的概念,大多来自消费电子领域,这就是数字音响、数字广播、数字电视、数字移动电话、数字通讯网以及CD、VCD、DVD、微机等众多产品,但是信息领域的数字化革命实际上早已始。

  28. 数字信号处理 奠定这一理论基础的是1948年美国著名信息论专家香农的一篇论文“通讯的数学理论”,他第一次提出数字化信息的基本单位:比特(尼葛洛庞帝把比特比喻作信息领域的DNA);并由此出发提出了一系列近代信息论基本思想。   由于受硬件条件的限制,信号的数字化处理真正开始于六十年代初。 1965年J.W.cooley和J.W.Tukey提出了快速傅里叶变换算法,为数字信号处理开端的里程碑。

  29. 数字信号处理 数字信号处理理论基础的核心 • C.E.Shannon的抽样定理(Theorem 13 in "A mathematical Theory of ommunication",Shannon1948)被工程师们公认为影响这个世界的最重要的公式之一(根据一项非正式的调查显示,抽样定理列于该调查所排列的10个最重要公式中。注意,第一位是牛顿第二定律,第二位是万有引力定律,第五位是Maxwell方程组,抽样定理列第八,这足以说明它的重要性。)

  30. 数字信号处理 数字信号处理的发展   数字信号处理技术的高速发展和对其它领域的广泛渗透无疑得益于70年代以来微电子技术的发展。   1971年英特尔公司推出了第一个微处理芯片4001,其功能大体上和世界上第一台电子计算机ENIAC相当。此后,微处理芯片的发展就异常迅速,它基本上遵从所谓的摩尔定律,这就是微处理芯片每隔18个月性能提高一倍、价格降低到原来的1/2  微电子技术的惊人发展速度已经产生了难以预料的结果,1946年当冯·诺伊曼等计算机专家研制成功第一台电子计算机ENIAC时,其总重量为30吨,占地面积相当于一个小的体育馆,平均每7分钟就有一个电子管失效。它的耗电量惊人,在它工作时,整个费城就灯光暗淡。而1977年生产的微处理器体积仅是ENIAC的1/30000,成本是它的1/10000,速度是它的20倍。

  31.   英国科学家福莱斯特,在总结了微电子技术的这种惊人发展速度之后,在他所著的“高技术社会”中发出了感叹,他说,“如果汽车或飞机行业也象计算机行业这样发展,那么今天一辆罗尔斯·罗伊斯汽车的成本将只有2.75美元;跑300万英里仅用一加仑汽油。而一架波音767飞机的价格只需500美元,用5加仑汽油在20分钟内便可环绕地球一周。”  1996年美国Princeton大学电子工程系主任刘必治教授来华发表演讲时,作了类似的对比,他说,如果汽车行业也象微电子行业那样,那么今天一辆可以坐4000人的小轿车的价格应当是0.26美元。

  32.   数字信号处理技术的这种进步,是我们每一个人在日常生活中都可以感觉得到的,同时它还对世界上某些局部地区正在进行的战争产生了深远的影响。它使得原来意义上的“前方”与“后方”的概念发生了变化,使“信息战”的概念起到了主导作用。全球范围内的通讯系统可 以使美国五角大楼直接指挥某一局部战役的行动,甚至是精确制导的巡航导弹的打击目标。数字化浪潮正在席卷全球,数字化信息处理技术正在使人类生活质量提到空前高的水平。 我国从事数字信号处理理论与应用研究的科技人员已在这一空前活跃的领域作出了令人瞩目的成绩。其中特别突出的例子是“曙光1000”并行计算机,合成孔径雷达,数字式声呐,“04”程控交换机等等。

  33. 与任何事物的发展一样,数字信号处理只是信号处理技术发展中的一个阶段。这决不意味着信号的数字化处理是十全十美的。从信号的模拟处理到数字处理,这是一步跨越,这一跨越已经并正在引起信息产业的大发展。部分领域刚刚起步,如数字电视。但我们决不会停留在这一步。虽然我们现在还不清楚下一步跨越是什么,但是数字化处理不是终点则是毫无疑问的。

  34. 数字信号处理 2、定义: 数字信号处理是用数字或符号的序列来 表示信号,通过计算机或通用(专用) 信号处理设备,对信号及所含信息进行 表示、变换并用数字的数值计算方法处 理,以提取有用信息。

  35. 例:用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构例:用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构

  36. 数字信号处理 对于DSP:狭义理解可为Digital Signal Processor 数字信号处理器。广义理解可为Digital Signal Processing 译为数字信号处理技术。在此我们讨论的DSP的概念是指广义的理解。 ●信号表示:时域和频域表示; ●信号变换:离散时间Fourier变换(DTFT)、离散Fourier变换DFT)和 z变换, 以及变换的快速算法(FFT)。 ●信号处理:滤波、压缩、调制及解调和信号分析。 ●信号运算:延迟、加、减、乘和卷积等。

  37. C X(t) R Y(t) 延时 a 模拟高通滤波器 数字高通滤波器 数字信号处理 例

  38. 数字信号处理 3、信号处理的实现方法: 1)软件实现方法:软件实现方法指的是按照原理和算法,自己编写程序或者采用现成的程序在通用计算机上实现。 2)硬件实现方法:硬件实现指的是按照具体的要求和算法,设计硬件结构图,用乘法器、加法器、延时器、控制器、存储器以及输入输出接口部件实现的一种方法。 前者灵活,但速度慢,达不到实时处理要求;后者速度快,但是不够灵活。 3)采用专用的数字信号处理芯片DSP:是目前发展最快、应用最广的一种方法。它即有硬件实现法实时的优点,又具有软件实现的灵活性优点。它内部配有乘法器和累加器,结构上采用流水线工作方式以及并行结构、多总线,且配有适合数字信号处理的指令,这种产品已经进入市场,速度高、体积小、性能优良,价格也在不断下降。

  39. xa(t) x(n) 数字 信号 处理器 y(n) ya(t) 前置预 滤波器 A/D 转换器 D/A 转换器 模拟 滤波器 LPF HPF BPF 数字信号处理 4、数字信号处理系统的基本组成 前置预滤波器:滤除高于某一频率(抽样频率的一半)的信号,防混迭。

  40. x(n)的二进制数 0110 0011 0110 0010 0011 1100 0010 1001 0111 1001 0 n x(n) 量化 数字信号处理 A/D变换器:完成抽样和量化和编码,实现数字化。如图 xa(t) 抽样 0 t

  41. y(n) n 4 1 2 3 0 数字信号处理 数字信号处理器(DSP): • 按照预定要求,在处理器中将信号序列x(n)进行加工处理得到输出信号y(n).

  42. 数字信号处理 D/A变换器: • 经过D/A变换器,将数字信号序列反过来变换成模拟信号,这些信号在时间点0,T,2T…nT,…上的幅度应等于序列y(n)中相应数码所代表的数值大小。 即由一个进制流产生一个阶梯波形,是形成模拟信号的第一步。

  43. 数字信号处理 模拟滤波器(后置滤波器): • 把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。 以滤除掉不需要的高频分量,生成所需的模拟信号ya(t).

  44. 数字信号处理 5、数字信号处理的特点 1) 精度高 模拟系统:由元器件确定(10-3); 数字系统:由字长确定,17位字长就可达10-5精度 。 2) 灵活性高 数字系统的性能主要由乘法器的系数决定。只需改变 存储的系数,就可得到不同的系统,比改变模拟系统 方便得多。 3) 可靠性高 只有“0”和“1”两个电平,受温度噪声影响小。

  45. 数字信号处理 4) 容易集成 规范性高,便于大规模集成,大规模生产,对电路参数要求不严,故产品成品率高。 5) 时分复用: 利用DSP同时处理几个通道的信号。 6) 可获得高性能指标 如频谱分析:模拟方法10Hz;数字方法10-3Hz.

  46. 数字信号处理 • 7) 便于二维与多维处理 • 利用庞大的存储单元,可以存储一帧或数帧图象信号,实现二维甚至多维信号包括二维或多维滤波,二维及多维谱分析等。 • 8)局限性 • 数字系统的速度还不算高,因而不能处理很高频率的信号。(因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理) 另外,数字系统的设计和结构复杂,价格较高,对一些要求不高的应用来说,还不宜使用。

  47. 数字信号处理 1 2 3 n 分 路 器 DSP 多路器 1 2 3 n 同步 时分复用

  48. 数字信号处理 6、数字信号处理的典型应用 • 1)经典信号处理:数字滤波、自适应滤波、快速付里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。 • 2)现代信号处理:AR、ARMA、卡尔曼滤波、小波变换等。 • 3)语音处理:语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。 • 4)图像/图形:二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。

  49. 数字信号处理 • 5)军事;保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。 • 6)仪器仪表:频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。 • 7)自动控制:控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。 • 8)医疗:助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。 • 9)家用电器:数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。 • 10)通信:电报、电话,回声抵消装置,扩频通信, OFDM(正交频分复用)通信技术

  50. 数字信号处理 语音压缩 • 在GSM手机中用DSP可将语音压缩至13kbsp,在Inmarsat M卫星电话中用DSP将语音压缩至4.3kbps后,仍具有良好的清晰度。 • 在语音信箱、留言电话方面也都采用语音压缩技术和DSP。