数字信号处理：绪论及复习

1、数字信号处理绪 论一、信号、系统和信号处理（1）信号及其基本特征1、信号 信号很广泛：如语音信号、图像信号 解释：一个随着时间变化的物理量。物理信号电信号信号处理电信号物理信号话筒扬声器 信号最基本的参数：频率、幅度(3-30)kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航)甚低频(30-300)kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)低频(3003000)kHz:Medium frequency(调幅广播)中频(3-30)MHz:High frequency(HF)(无线电爱好者，国际广播，军事通信 无绳电话，电报，传真)高频(30-300)MHz:Very

2、High frequency(VHF)(调频FM，甚高频电视)甚高频(0.33G)Hz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信)超高频频率低20Hz范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，能被感觉到。(处于VLF Very low frequency)甚低频频率20Hz20KHz称为声波，Low frequency (处于LF)低频频率20KHz称为超声波 ，具有方向性，可以成束(处于LF)（2）信号的分类 单色信号和复合信号单色信号：只有单一的频率。复合信号：各种正弦频率分量的合成。 我们通常考虑它的频带宽度。我们通常处理的是复合

3、信号。例：例：一个高品质的音响信号带宽20kHz 一个视频信号的带宽是6MHz 连续时间信号和离散时间信号连续时间信号：随时间连续变化的信号，它们在一个时间 区间里的任何瞬间都有确定的值。离散时间信号：只在离散的时间点有确定的值，通常是对 连续信号进行采样得到的。 模拟信号和数字信号模拟信号：指时间连续、幅度连续的信号。数字信号：时间和幅度上都是离散（量化）的信号。 故：数字信号可用一序列的数表示，而每 个数又可表示为二制码的形式。量化离散数字信号连续离散离散时间信号连续连续连续时间信号幅度时间 周期信号和非周期信号若信号满足： x(t)=x(t+kT0) k为正整数； 或 x(n)=x(n+

4、kN) k,N皆为正整数， 则x(t)或x(n)是周期信号，周期分别为T0和N；否则就是非周期信号。 确定信号和随机信号确定性信号：若信号在任意时刻的取值能精确确定，则称 它为确定信号；它的值可以用有限个参量来 唯一地加以描述。例：直流信号、阶跃信号、正弦波信号随机信号：若信号在任意时刻的取值不能精确确定，或说 取值是随机的，即它不能用有限的参量加以描 述。也无法对它的未来值确定性地预测。它只 能通过统计学的方法来描述。例：许多自然现象所发生的信号、语音信号、图像信号、噪声都是随机信号。它们具有幅度(能量)随机性、或具有发生时间上的随机性或二都兼有之。2、系统 系统分类系统：处理信号的物理设备

5、。或者说，凡是能将信号加以变 换以达到人们要求的各种设备可称之为系统。（a）连续时间系统（b）离散时间系统（c）模拟系统（d）数字系统3、数字信号处理解释：数字信号处理是利用计算机或专用处理设备 ，以数值计算的方法对信号进行采集、滤波 、变换、压缩、增强、估计、识别等加工处 理，以达到提取有用信息和便于应用的目的。二、数字信号处理系统的基本组成y (n)x (n)ya(t)xa(t)前置预滤波器采样A/D数字信号处理器D/A模拟滤波器数字信号处理器的选择与实现 软件实现 专用DSP芯片 通用DSP芯片数字信号处理器的实现方法 采用大、中小型计算机和微机 在工作站和微机上使用厂家的数字信号处理软

6、件或自己编写信号处理软件。优点：可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。 用单片机由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能较强。优点：可根据不同环境配不同单片机，可实现实时控制， 但数据运算量不能太大。 利用通用DSP芯片 DSP芯片较之单片机有着更为突出优点。 其内部带有乘法器，累加器，采用流水线工作方式及并行结构，多总线速度快。配有适于信号处理的指令。 目前市场上的DSP芯片有：美国德州仪器公司(TI):TMS320CX系列AT&T公司dsp16,dsp32系列Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列 利用专用DSP芯片三、数字

7、信号处理的学科概貌1945 年Bode Schanon提出了采样定理1955年国际上第一次开设了数字滤波器课程1965年Corly-Tukey发明了快速傅立叶变换（FFT），1966年Kaiser提出数字滤波理论在国际上，一般把1965年FFT的问世，作为数字信号处理这一新学科的开端30多年的发展，数字信号处理自身已基本上形成一套较为完整的理论体系数字信号处理的理论信号的采集（A/D）技术、取样定理、量化噪声分析离散信号的分析（时域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等）离散系统分析（系统的描述、系统的单位取样响应、系统函数及频率特性等）信号处理中的快速算法（快速傅立叶变换、快速卷积与相关

8、等）信号的估值（各种估值理论、相关函数与功率谱估计等）滤波技术（各种数字滤波器的设计与实现）信号的建模（AR、MA、ARMA等模型）信号处理中的特殊算法（如抽取、插值、反卷积、信号重建等）信号处理技术的实现（软件实现、硬件实现） 精度高 在模拟系统中，它的精度是由元件决定，模拟元器件的精度很难达到10-3以上。而数字系统中，17位字长就可达10-5精度，所以在高精度系统中，通常采用数字系统。Precisioncomponent specificationADC bits, CPU word width四、数字信号处理的特点 灵活性高ProgrammabilityAnalog system：Mo

9、dify hardware design.Digital system：Modify software. 数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且系数存放于系数存储器内，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。 可靠性高StabilityAnalog system：the characteristics of analog system components, resistors, capacitors and operational amplifiers will change along with temperature, humidity.Digital sys

10、tem：will show no variation with temperature throughout their guaranteed operation range.Anti-noise数字系统：只有两个信号电平0，1受噪声及环境条件 的影响小。数字系统宜采用大规模集成电 路，其故障率远远小于采用众多分立元件 构成的模拟系统。模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受环境条 件，如温度、振动、电磁感应等影响，产 生杂散效应甚至振荡等。Very Large Scale Integrated circuit 时分复用利用DSP同时处理几个通道的信号。 某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的

11、空隙时间，因而在同步器的控制下，在此时间空隙中送入其他路的信号，而各路信号则利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信号后，再算另一路信号，因而处理器运算速度越高，能处理的信道数目也就越多。多路器DSP分路器同步123n123nWe still need analog processing（1）Real-Time ProcessingAnalog system：Besides the delay introduced by the circuit, the processing is in real-time. Digital system：Decided by the processo

12、r speed.（2）Processing very high frequency signalsAnalog system：may process microwave, mini-meter-wave, even light wave signals.Digital system：By the Nyquist Rule，the processing speed is limited by the S/H, A/D and processor speed. (3)The most signals in real would are analog. If we want to process t

13、hese analog signals with digital signal processing system, must change them into digital form first by mixed signal processing.五、数字信号处理的应用滤波与变换通信语音图像消费电子仪器工业控制与自动化医疗军事DSP SolutionProgrammable switchMobile phoneADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line)Digital Camera Digital CameraHDTVHigh Definition T

14、VDVD(Digital Video Disc)Simulator of airplaneGPS(Global Position System) Radar/Sonar Cruise missileSmart bomb from F117Pattern recognization Fingerprint distinguish Development of DSPHigher processing speedMulti-DSP co-operationLower price or higher performance price ratioLower power consumption or

15、longer battery lifeASIC based on DSP coreApplication Specific Integrated Circuit 特定用途集成电路Just Do it.课堂问卷1、你有信心学好数字信号处理课程吗？A 充满信心 B 信心不足2、你能保证认真听讲并自己思考作业吗？A 能 B 很困难3、如果遇到问题，你会主动问老师或同学吗？A 会 B 不会4、就本门课程而言，你最想对老师说：总 复 习一、离散时间信号与系统理解序列的概念及几种典型序列，掌握序列的运算，掌握线性卷积，圆周卷积及二者之间的关系，会判断序列的周期性。线性、移不变性、因果性、稳定？什么样的LS

16、I系统是因果/稳定系统（时域、频域判断条件）？理解概念且会判断（直接判断、h（n）常系数线性差分方程，迭代求y（n）、h（n）。时域抽样及重建，频域抽样及重建。理解对连续时间信号抽样后引起的频谱变化，掌握奈奎斯特抽样定理。二、序列傅里叶变换（DTFT）及z变换序列的Fourier变换定义（条件）、性质了解周期序列的DFS及性质，周期序列的FTz变换与DTFT变换的关系差分方程-H(z)系统函数、频率响应、幅频特性、相位特性？几何法确定系统的幅频特性。零极点对幅频特性的影响。三、离散Fourier变换理解DFT及性质，掌握圆周移位、共轭对称性，掌握圆周卷积、线性卷积及两者之间的关系频域抽样理论：N点DFT-DTFT在0-2pai区间抽样N点，频率抽样间隔？对于模拟信号而言，就是在0-Fs上抽样N点，抽样间隔？频率抽样定理？理解频谱分析过程：分辨率？时域截断长度Tp？时域抽样频率？时域抽样点数？频域抽样点数？四、FFT理解DIT和DIF的基-2FFT算法原理、运算流图、所需计算量理解IFFT方法了解线性卷积的FFT算法及分段卷积方法实序列的DFT、IDFT的快速算法五、数字滤波器的基本结构掌握IIR滤波器的四种基本结构理