数字信号处理概述

数字信号处理主讲教师：张磊中国海洋大学工程学院2023/10/9开课院系：工程学院自动化系课程编号：082302201247英文名称：DigitalSignalProcessing课程总学时：34总学分：2含实验或实践学时：8《数字信号处理》课程教学大纲课程教学目标与基本要求：本课程系统地讲授数字信号处理的基本理论、基本分析方法、基本算法和基本实践方法。要求学生掌握离散时间信号与系统的基本理论，即离散时间信号与系统、离散傅立叶变换；了解快速傅立叶变换算法；掌握数字滤波器的结构、理论，掌握IIR数字滤波器和FIR数字滤波器的理论和设计方法。主要目标是了解数字信号处理的基本理论、相应的算法及这些算法的软硬件实现，了解数字信号处理的最新进展和基本应用。为进一步的专业课程学习打下良好的基础。近年来由于计算机技术的发展，“数字信号处理”这门课程越来越受到有关专业师生的重视，数字信号处理技术本身在设计思想、算法、仿真与设计工具以及硬件结构等方面也在不断更新发展；与此同时，与之相关的一些课程体系也发生了较大的变化，课程间的整合与衔接有必要进行分析和思考。

1、“信号与线性系统”是“数字信号处理”的先修课程，目前的趋势是“信号与线性系统”课程中离散信号与系统的比重大大增加。“数字信号处理”课程在避免与“信号与线性系统”课程内容的大量重复之上，将尽量保持课程的完整性。

2、“数字信号处理”是一门介乎于专业基础课程和专业课程之间的课程，教学中既应强调其基础理论知识又应强调其应用背景。两者应当比较好地结合起来，特别是对于自动化专业的学生，课程中将主要介绍基本原理、新技术及它的应用。

3、学生在学习这门课程时还应掌握一些必要的软件工具，这既有利于加强概念的理解，又是今后进一步学习和研究所不可缺少的重要一步。课程引入了用于科学计算的MATLAB语言，我们给出了相应的MATLAB实例，通过较多的实例掌握基本原理和应用。

4、上机实验是学习“数字信号处理”不可缺少的环节，课程提供了相应的实验指导书，并指导上机练习。

数字信号处理课程介绍数字信号处理课程使用教材推荐使用教材：《数字信号处理》编者：张延华等出版社：机械工业出版社出版时间：2005第1版授课内容（细化到章、节、目）教学目标连续时间信号1.1绪论1.2基本连续时间信号1.3连续时间信号的运算与变换了解基本连续时间信号的概念、性质及运算与变换的方法。第二章信号与系统2.1线性时不变连续系统2.2LTI连续系统的模型2.3LTI连续系统的响应2.4冲激响应与阶跃响应2.5卷积与零状态响应了解信号与系统的基本概念，性质及分析方法。第三章离散时间信号与系统3.1离散时间信号的基本概念3.2离散信号的运算与变换3.3离散系统的基本概念熟悉离散时间信号与系统的概念，离散信号的运算与变换方法。第四章MATLAB实现信号的描述及运算4.1MATLAB概述4.2MATLAB的绘图及图像处理4.3模拟信号的描述及运算4.4数字信号的描述及运算熟悉利用MATLAB实现信号的描述及运算的方法及相关函数。数字信号处理课程安排授课内容（细化到章、节、目）教学目标第五章连续时间信号分析5.1周期信号的傅里叶级数5.2周期信号的频谱5.3非周期信号的傅里叶变换5.4傅里叶变换的基本性质5.5抽样定理掌握连续时间信号分析的基本方法。第六章离散时间傅立叶分析、离散傅立叶变换与快速傅立叶变换6.1离散时间信号与系统6.2DTFT的性质6.3离散傅立叶级数与DFT6.4DFT的性质熟悉离散时间傅立叶分析、离散傅立叶变换与快速傅立叶变换的性质。第七章数字滤波器7.1数字滤波器IIR、FIR的结构7.2IIR滤波器的设计原理7.3基于MATLAB的滤波器设计技术熟悉数字滤波器的结构及IIR数字滤波器的设计原理。第八章数字信号处理器DSP8.1概述8.2DSP的结构、指令系统8.3基于TMS320VC5402的软件开发了解数字信号处理器DSP的结构和指令系统，介绍利用TMS320VC5402进行开发的简单实例。第九章数字信号处理应用9.1语音信号处理实例9.2图像处理实例了解熟悉信号处理的应用实例。实验题目实验内容实验1、MATLAB的基本功能及操作熟悉MATLAB的基本界面、窗口命令及简单的绘图操作。实验2、MATLAB实现离散信号的描述及运算编制MATLAB命令完成离散信号的描述及简单运算。实验3、MATLAB实现滤波器的结构变换掌握如何使用MATLAB命令完成数字滤波器的结构变换。实验4、MATLAB实现数字滤波器的设计掌握如何使用MATLAB命令完成数字滤波器的设计。数字信号处理课程实验安排数字信号处理课程的要求及考核出勤：课堂出勤及实验课出勤实验：要求提交实验报告考试形式：闭卷考试比例：平时成绩20%，考试成绩80%数字信号处理网络资源/teach/31306021.htm

北京邮电大学信息工程学院/playlist_show/id_2577794.html

数字信号处理授课视频电子科技大学4/new/dsp/index.asp

武汉理工大学精品课程展示（较详细）/zq/signal/7-1.htm

东南大学精品课程展示（较详细）无线工程系3/dx/szxh/index.htm

华东理工大学信息工程专业/upinstrimg/200310291522134.pdf

数字信号处理课件PDF§1．1引言数字信号处理(DigitalSignalProcessing,DSP)数字信号处理:是20世纪60年代，随着信息学科和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。数字信号处理是把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数字的数值计算方法处理（例如：滤波、变换、增强、估计、识别等），达到提取有用信息，便于应用的目的。第一章.数字信号处理概述对于DSP:狭义理解可为DigitalSignalProcessor数字信号处理器。广义理解可为DigitalSignalProcessing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。主要学习内容DSP涉及的重要概念、基本理论和方法DSP硬件的实现（数字信号处理器）实际数字信号处理系统实际系统并不一定要包括它的所有框图。如有些系统只需数字输出，可直接以数字形式显示或打印，就不需要D/A变换器；另一些系统的输入就是数字量，因而就不需要A/D变换器；纯数字系统则只需要数字信号处理器这一核心即可。模拟信号的数字信号处理系统抽样量化数字信号处理的学科发展在国际上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里叶变换(FFT)的问世，作为数字信号处理这一学科的开端。数字信号处理领域的理论基础数字信号处理的基本工具：微积分，概率统计，随机过程，高等代数，数值分析，近代代数，复杂函数。数字信号处理的理论基础：离散线性变换(LSI)系统理论，离散付里叶变换(DFT)。数字信号处理学科内容（1）离散时间线性时不变系统分析（2）离散时间信号时域及频域分析、离散付里叶变换（DFT）理论（3）信号的采集，包括A/D,D/A技术，抽样，多率抽样，量化噪声理论等（4）数字滤波技术（5）谱分析与快速付里叶变换（FFT），快速卷积与相关算法。（6）自适应信号处理数据信号处理的特点与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有如下特点：1、精度高2、可靠性高3、灵活性大4、易于大规模集成5、时分复用6、可获得高性能指标7、二维与多维处理精度高: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10-3e以上。而数字系统中，17位字长就可达10-5e精度，所以在高精度系统中，有时只能采用数字系统。可靠性高: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，产生振荡等数字系统：只有两个信号电平0，1受噪声及环境条件等影响小。且数字系统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。灵活性大：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。易于大规模集成：数字部件：高度规范性，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。例：(尤其)在低频信号：如地震波分析，需要过滤几Hz~几十Hz的信号，用模拟系统处理其电感器、电容器的数值，体积，重量非常大，且性能亦不能达到要求，而数字信号处理系统在这个频率处却非常优越显示出体积，重量和性能的优点。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。数字信号处理的应用领域自20世纪60年代以来，数字信号处理的应用已成为一种明显的趋势，这与它突出优点分不开的。数字信号处理大致可分为：信号分析信号滤波典型信号处理实例远程通信（多路技术、压缩、回声抑制）图象处理（医学影像、影像产品、图像增强、恢复）语音压缩在ＧＳＭ手机中用ＤＳＰ可将语音压缩，在卫星电话中用ＤＳＰ将语音压缩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。语音处理:它是最早采用数字信号处理技术的领域之一。本世纪50年代提出语音形成数学模型，经过十多年对语音的分析、综合，证明是正确的。在语音领域现存在着三种系统：语音分析系统：自动语音识别系统，它能识别语音，辨认说话的人是谁，而且破译后，能立即作出决断。语音综合系统：盲人的自动阅读机，声音响应的计算机终端，会说话玩具，家用电器(CD,VCD,DVD)。语音分析综合系统：语音存储和检索系统。应用于语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人确认、语音邮件、语音存储等。数字压缩：数据压缩在一定条件下把原始信号所含信息数据进行压缩,如语音、声音、图像信号中含有许多冗余信息,通过数字信号压缩算法最大限度地去除这些信号中的冗余度,使压缩后信号带宽减小,提高传输效率。作数据存储时可降低所需存储介质的容量。例如直径为120ｍｍ的ＣＤ光盘,本来存储的只是一套70分钟的ＨｉＦｉ立体声音乐,现在可将70分钟电视信号和音乐信号都压缩到120ｍｍ的光盘上,即ＶＣＤ光盘。会议电视和可视电话：采用ＤＳＰ完成视频图像信号的压缩,制成可通过公用电话交换网(ＰＳＴＮ)传输的会议电视或可视电话。图像处理：数字信号处理技术成功应用的图像处理方法有：数据压缩图像复原清晰化与增强由于单个数字图像以1兆个采样值的量级表示，所以要求高性能的处理机、高密度的数据存储器。即要求高速度硬件。数字信号处理实现方法1.采用大、中小型计算机和微机。2.用单片机。3.利用通用DSP芯片4.利用特殊用途的DSP芯片1.采用大、中小型计算机和微机工作站和微机上各厂家的数字信号软件，如有各种图象压缩和解压软件。优点：可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。2.用单片机由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能很强。优点：可根据不同环境配不同单片机，其能达实时控制，但数据运算量不能太大。3.利用通用DSP芯片DSP芯片较之单片机有着更为突出优点。如内部带有乘法器，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(如FFT指令)等。目前市场上的DSP芯片有：美国德州仪器公司(TI):TMS320CX系列占有90%（TMS320VC5402开发套件）还有AT&T公司dsp16,dsp32系列；Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列/dsp/316c49e5a833517c.html4.利用特殊用途的DSP芯片市场上推出专门用于FFT,FIR滤波器，卷积、相关等专用数字芯片。如：BB公司：DF17XX系列MAXIM公司：MAXIM27X,MAXIM28XNational公司：National-SEMI系列：MF系列。其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使用者只需给出输入数据，可在输出端直接得到数据。DSP技术的发展方向数字信号处理技术已经成熟,正在获得广泛的应用。ＤＳＰ在电子和通信领域的数字化革命中扮演着主要角色,它为新体制、新原理和新算法提供了最佳的实现条件。DSP技术的发展趋势是“多快好省”。多：DSP的型号越来越多，功能越来越多快：运算的速度越来越快，指令速度越来越快，频率越来越高，功能越来越强好：主要是指性能价格比省：功耗越来越低§1．2信号的描述与分类1.信号的描述1.信号信号处理可以理解为是对信号进行的某种加工或变换，其目的是消弱信号中的多余内容，滤除混杂的噪声和干扰，或将信号变换成容易分析与识别的形式，便于估计和选择它的特征参量。信号是随着某些参数变化的某种物理量。通常可以表示为一个或多个变量的函数。通信技术中，语言、文字、图像等信息必须借助一定形式的物理信号（如：声、光、电等）才能实现快速传输和各种处理。因此，信号是信息的表现形式，是通信传输的客观对象，而信息是信号的具体内容，它蕴藏在信号之中。§1．2信号的描述与分类1.信号的描述2.信号的特性信号的时间特性：任何信号都可以表示为随时间变化的函数。主要表现在随时间t的变化，其波形幅值的大小、持续时间的长短、变化速率的快慢、波动的速度及重复周期的大小等都发生改变。信号的频率特性：任何信号都可以分解为许多不同频率的正弦分量之和。主要表现在各频率正弦分量所占比重的大小、主要频率分量所占有的频率范围等都不同。不同形式的信号具有不同的时间特性和频率特性，而信号的时间特性和频率特性有着密切的联系，都包含了信号的全部信息。§1．2信号的描述与分类2.信号的分类1.确定信号和随机信号按信号是否可以预知划分为确定性信号和随机信号。可以表示为确定的时间函数的信号称为确定性信号。如：对于某一时刻t，信号都有一确定的值与之对应。信号可以表示为某些变量的函数形式。不能表示为确定的时间函数，通常仅知道取某一数值的概率，这样的信号称为随机信号。如噪声和干扰信号。随机信号带有不确定性和不可预知性，通常用概率和统计的方法进行研究。§1．2信号的描述与分类2.信号的分类2.一维信号和n维信号按信号可以表示为几个变一维信号和n维信号。一维信号是指信号只是一个变量的函数。如：f(t)是t的函数，K和a为常数。n维信号是指信号是n个变量的函数。如：静止平面图像信号为平面坐标(x,y)的函数，是二维信号。运动的平面图像是(x,y,t)的函数，称为三维信号。§1．2信号的描述与分类2.信号的分类3.时限信号和非时限信号按信号的持续时间划分为时限信号和非时限信号。存在于有限时间范围之内的信号称之为时限信号，即有始有终信号。存在于无限时间范围内的信号称之为非时限信号。常细分为有始、有终、无始无终信号。§1．2信号的描述与分类2.信号的分类4.连续时间信号和离散时间信号按信号是否是时间的连续函数划分为连续时间信号和离散时间信号。幅值随时间做连续变化的连续时间信号称为模拟信号。模拟信号的时间和幅值均为连续的。只在某些离散的时刻有定义的信号称之为离散信号。为了研究和处理方便，将连续时间信号进行抽样，得到离散时间信号，即只取有代表性的离散时刻的信号数值。离散信号中时间离散、幅值连续的信号称之为抽样信号；经过量化后的离散信号，其时间和幅值均离散，称为数字信号。§1．2信号的描述与分类2.信号的分类4.连续时间信号和离散时间信号模拟信号经过抽样、量化后形成数字信号。由于数字芯片只能处理二进制数字信号，可以将一般数字信号编码，得到二进制数字信号。§1.3时间信号的运算与变换1.3.1

正弦信号1.3.2

指数信号1.3.3

抽样信号1.3.4

奇异信号1.3.1正弦信号在电路理论中已经介绍了许多正弦信号的知识，只不过当时将其称为电压或电流而已。正弦信号和余