数字信号处理绪论课件

1、数字信号处理主讲：李敏E_mail:cassie_电子信息类专业重要的专业基础课 数 字 信 号 处理数字信号处理电子信息类工程师必须具备的基本素养电子信息类专业的考研专业基础课 数字信号处理绪 论 1、数字信号处理的核心问题 2、数字信号处理系统 3、研究对象 4、处理方式 5、DSP系统基本功能部件 6、DSP系统的优点 7、DSP系统的缺点 8、应用 9、发展趋势 10、课程介绍 1、数字信号处理的核心问题用数学的方法和数字系统对信号进行处理，包括两个方面：信号处理的数学模型-各种算法，误差分析算法的实现，包括：软件实现：（例如MATLAB）硬件实现：专用计算机系统。片上系统（SOC,

2、System on a Chip）：单片机、专用DSP芯片、通用DSP芯片、FPGA等。 软件实现是用一台通用的数字计算机运行数字信号处理程序。其优点是经济，一机可以多用；缺点是处理速度慢，这是由于通用数字计算机的体系结构并不是为某一种特定算法而设计的。在许多非实时的应用场合，可以采用软件实现方法。例如，处理一盘混有噪声的录像(音)带，我们可以将图像(声音)信号转换成数字信号并存入计算机，用较长的时间一帧帧地处理这些数据。处理完毕后，再实时地将处理结果还原成一盘清晰的录像(音)带。通用计算机即可完成上述任务，而不必花费较大的代价去设计一台专用数字计算机。数字信号处理的软件实现硬件实现是针对特定

3、的应用目标，经优化，设计一专用的软硬件系统。其优点是容易做到实时处理，缺点是设备只能专用。数字信号处理的硬件实现片上系统（SOC, System on a Chip）随着大规模集成电路的发展，一个复杂数字信号处理系统已可以集成在一个芯片上。SOC包含有数字和模拟电路、模拟和数字转换电路、微处理器、微控制器以及数字信号处理器等。与传统的集成电路不同的是，嵌入式软件的设计也被集成到了SOC的设计流程中，SOC的设计方法将以组装为基础，采用自上至下的设计方法，在设计过程中大量重复使用自行设计或其他第三方拥有知识产权的IP(Intelligent Property)模块。SOC要充分考虑如何合理划分软

4、件和硬件所实现的系统功能以及如何实现软、硬件之间的信息传递。SOC将是数字信号处理系统的一个新型的实现方法。 并行是指为了完成同一个任务，几个处理器同时工作，使系统能胜任单个处理器所不能完成的任务；当一个处理器完成单个任务(比如一个滤波器)有很大的富余量时，可让其完成多个任务，这就是复用；流水结构也是多处理器完成同一任务，它与并行结构的主要区别在于并行的各个处理器之间数据交换不多，而流水结构类似于生产中的流水线，数据经一道道“工序”处理。采用并行或流水结构，完全取决于数字信号处理的运算结构。并行、复用和流水信号的分类及关系物理分类信号非电信号电信号（传感器）模拟信号离散信号（采样）抽样信号数字

5、信号（量化）数学分类确定信号与随机信号线性信号与非线性信号信号信号处理完成 信号的过滤和检测 参数的提取和估计 频谱分析等 使信号更便于使用，更容易识别。 信号处理系统分类：模拟信号处理：主要建立在连续时间信号(模拟信号)及连续时间系统(模拟系统)的基础上； 数字信号处理：针对数字信号和数字系统，用数值计算的方法，完成对数字信号的处理(检测、滤波、参数估计）； 以下所讨论的是模拟信号的数字信号处理系统.前置预滤波器A/D变换器数字信号处理器D/A变换器模拟滤波器模拟Xa(t)PrFADCDSPDACPoF模拟Ya(t)2、数字信号处理系统(1)前置滤波器也称为抗混叠滤波器，将输入信号xa(t)

6、中高于某一频率(称折叠频率，等于抽样频率的一半)的分量加以滤除。(2)A/D变换器由模拟信号产生一个二进制流。在A/D变换器中每隔T秒(抽样周期)取出一次xa(t)的幅度，抽样后的信号x(n)称为离散信号。(3)数字信号处理器(DSP)按照预定要求， 对数字信号序列x(n) 按一定的要求加工处理（滤波、运算等）,得到输出信号y(n).(4)D/A变换器由一个二进制流产生一个阶梯波形，是形成模拟信号的第一步。(5)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). 本身输入为数字量的系统，抗混迭滤波器和A/D不需要。最终只需要求出信号的参数时，不需

7、要最后的D/A，如雷达和声纳系统中计算目标的方位、距离等参数。模拟信号的数字化数字信号数码量化电平模拟信号采样保持信号量化电平数字信号转化成模拟信号数字信号数码量化电平D/A输出信号模拟信号D/A输出模拟滤波输出数字信号处理系统的典型框图 3、研究对象 数字序列（输入、输出都是数字序列）4、处理方式 数字序列的加工和运算5、DSP系统基本功能部件存储单元（存储器、寄存器）等 加法器 乘法器 逻辑控制器 6、DSP系统的优点（与模拟系统比较） DSP的研究对象和处理方式，决定了它比模拟系统具有许多优点。1) 高精度 模拟系统，如模拟滤波器 ，是利用电阻、电容、电感等元器件实现的，元器件精度要达到

8、10-3精密器件以上已很不容易，受此限制，模拟系统的精度很难提高。 数字系统，若采用16位字长，计算精度可达10-5 量级；采用字长32位，精度可达10-10量级，所以在很多高精度测量中，数字技术是非常有效的工具，有时甚至为了满足精度要求，一定要采用数字系统。2) 高稳定性 模拟系统中，元器件值会随环境条件变化（如R、L、C随温度变化），造成系统性能不稳定。 数字系统，只有“0”和“1”两种电平，一般不随环境条件(如温度、电磁感应等)变化，工作稳定。3) 高度灵活性 模拟系统，系统特性取决于其中的各个元件，要改变系统特性，必须改变其中的元件。 数字系统与之不同，只要改变系统存储器中的数据，即可

9、改变系统参数，从而改变系统特性。4) 便于大规模集成 数字部件有高度的规范性，便于大规模集成和大批量生产，而且体积小、重量轻。特别是对低频信号，采用模拟系统处理时，元器件的数值和尺寸都大得惊人，采用数字系统处理，有明显的优越性。5) 高性能 DSP可获得很高的性能指标。例如，FIR可以实现严格的相位控制，这在模拟系统中是很难达到的。6) 多维处理 数字系统的一个主要特点可具备庞大的存储单元，可存储数帧图象信号或多路阵列信号，实现二维图像或多维阵列信号处理，如二维滤波或二维谱分析等。 （1）增加了系统的复杂性。他需要模拟接口以及比较复杂的数字系统。（2）应用的频率范围受到限制。主要是A/D转换的

10、采样频率的限制。（3）系统的功率消耗比较大。数字信号处理系统中集成了几十万甚至更多的晶体管，而模拟信号处理系统中大量使用的是电阻、电容、电感等无源器件，随着系统的复杂性增加这一矛盾会更加突出。 7、数字信号处理系统的缺点8、应用 DSP这一学科近二、三十年发展十分迅速，特别是FFT算法的出现及大规模集成电路和计算机技术的快速发展，使DSP的应用领域不断扩大。 应用领域有：通信 雷达 地震预测声纳 遥感 图像处理和模式识别 语音处理和识别 生物医学 自动控制 消费电子 雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度

11、）、方位、高度等信息。 雷达 声纳是英文缩写“SONAR”的音译，其中文全称为：声音导航与测距，是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备。它有主动式和被动式两种类型，属于声学定位的范畴。声纳是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。声纳 遥感是指非接触的，远距离的探测技术。一般指运用传感器/遥感器对物体的电磁波的辐射、反射特性的探测，并根据其特性对物体的性质、特征和状态进行分析的理论、方法和应用的科学技术。遥感技术 生物医学是综合工程学、医学和生物学的理论和方法而发展起来的交叉边缘学科，基本任

12、务是运用工程技术手段研究和解决生命科学，特别是医学中的有关问题，主要研究利用电子信息技术结合医学临床对人体信息进行无损或微损的提取和处理。 “消费电子”是指围绕着消费者应用而设计的与生活、工作娱乐息息相关的电子类产品，最终实现消费者自由选择资讯、享受娱乐的目的。消费电子主要侧重于个人购买并用个人消费的电子产品。例：MP3,MP4,机顶盒，手机，电脑等。9、发展趋势 一般来说，数字信号处理限于线性时不变系统理论，并假设信号及背景是高斯平稳的，信号的分析基于二阶矩，数字滤波和FFT是常用方法。 目前DSP研究热点：时变系统 非平稳信号 非高斯信号 非线性信号 处理方法的发展： 自适应滤波 离散小波

13、变换 高阶矩分析 信号盲处理 分形、混沌理论 目的：数学模型更加符合实际，或者降低对信号先验知识的要求，充分利用观测信号中的一切有用信息，提高信息利用率。 一阶矩就是随机变量的期望，二阶矩就是随机变量平方的期望，以此可以类推高阶的矩。 10、课程介绍主要讨论一维DSP 基础理论：离散时间信号与系统(ch1) Z变换与离散时间傅立叶变换(ch2) 离散傅立叶变换DFT（ch3）快速傅立叶变换FFT（ch4） 数字滤波器DF 数字滤波器的结构和实现（ch5） 无限长单位脉冲响应（IIR）滤波器(ch6) 有限长单位脉冲响应（FIR）滤波器(ch7)数字信号处理系统的研究步骤： 1）离散时间信号与离

14、散系统理论。 研究对象：时间上离散、幅度上无误差的信号 2）考虑幅度的量化以及运算过程中有限字长的影响。 研究对象：时间离散、幅度上精度有限的数字信号。讲授内容0.绪论-DSP的发展和应用 （1学时）1.离散时间信号与系统 (3学时）2.Z变换与离散时间傅里叶变换（DTFT）（4学时）3.离散傅里叶变换(DFT) （6学时）4.快速傅里叶变换（FFT）（6学时）5.数字滤波器的基本结构（2学时）6.IIR DF的设计(无限长单位脉冲响应数字滤波器的设计)（5学时）7.FIR DF 的设计(有限长单位脉冲响应数字滤波器的设计)（5学时）教材数字信号处理教程（第三版） 程佩青 清华大学出版社参考书1.张元、汪元宝