数字信号处理程

数字信号处理2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系1教材与参考书教材：《数字信号处理教程》（第二版）程佩青，清华大学参考书：《数字信号处理》郑南宁，西安交大《DiscreteTimeSignalProcessing》

AlanV.Oppenheim&RonaldW.Schafer2ndEdition,Prentice-Hall，2001《离散时间信号处理》奥本海姆，高教《信号与系统》郑君里，高教2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系2绪论一、信号、系统与信号处理的基本概念二、数字信号处理系统的基本组成三、数字信号处理的特点四、数字信号处理的学科概貌五、数字信号处理的应用六、本课程的主要内容2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系3一、数字信号处理的基本概念DSP(DigitalSignalProcessing)是近几十年发展起来的一门新兴学科。DSP是利用计算机或专用设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值、识别等加工处理，以达到提取信息和便于应用的目的的一门学科。2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系41、信号概念信号:信号是传输信息的函数，是信息的物理表现形式，或表示物理系统状态或行为；而信息是信号的具体内容。通俗地讲，信息就是有用的消息。消息不等于信息，同一消息可含有不同的信息量。一般信号是一个或多个独立变量的函数。(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。2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系5信号分类信号分类：

依载体：电、磁、声、光、热、机械信号；依维数：一维、二维、多维(矢量)信号；依周期：周期信号x(t)=x(t+kT)、非周期信号;

依确定性：确定性信号、随机信号；依能量或功率是否有限：能量、功率信号；依连续性：连续信号(模拟)、离散信号(数字)；2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系6

波形：信号幅度随独立变量变化的函数，通常

一维信号的独立变量为时间。信号分类（续）传感器得到的信号都要先变成电信号(连续时间信号)。连续时间信号：用电压或电流去模拟其他物理量所得到的信号，独立时间变量连续有定义{x(t)}。模拟信号：信号幅值连续有定义的连续时间信号。离散时间信号：由连续时间信号经离散化得到，亦可客观存在，独立时间变量在离散时间点有定义{x(nT)}。数字信号：在时间上和幅度上都是离散的信号，它可由模拟信号经离散和量化得到，亦可客观存在。本质上，它只是一系列的“数”，且通常用二进制编码表示。关系：连续时间信号采样离散时间信号量化数字信号模拟经A/D变换得数字；数字经D/A变换得模拟。2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系7连续时间信号转换为数字信号举例1.连续时间信号：CTS(ContinuousTimeSignal/AnalogSignal)—x(t)2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系8（在离散时间点上取值）2.离散时间信号：DTS(DiscreteTimeSignal/Sequence)—x[n]离散时间信号例子（1）股票指数：2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系9人口统计：离散时间信号例子（2）温度测量2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系10离散时间信号例子（3）

连续信号的离散化：2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系11离散时间信号例子（4）

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音乐信号：图象：2、系统概念系统：处理信号的物理设备。软件编程（运算或操作）也可看成为系统。系统依所处理的信号种类可分为四类：模拟系统、连续时间系统、离散时间系统、数字系统。系统依性质可分为：线性的或非线性的、时（移）不变的或时（移）变的、因果的或非因果的系统等。2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系133、信号处理概念信号处理是指利用适当的系统对信号进行处理（变换）。数字信号处理的内容包括：

信号表示：时域和频域表示；

信号变换：DTFT、DFT、ZT，以及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。2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系14二、数字信号处理系统基本组成模拟信号的数字化处理系统构成：2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系15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xa(t)x(n)y(n)ya(t)y(t)x(t)各单元的作用：前置预滤波器：滤除高于某一频率的信号，防混迭。A/D变换器：完成抽样和量化，实现数字化。数字信号处理器：输入序列经处理得到输出序列。D/A变换器：数字信号变换成模拟信号。模拟滤波器：滤除不需要的高频分量。3.数字信号处理(DSP)的实现方法：软件：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。软件法灵活，但速度慢，达不到实时处理要求。专用硬件：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。硬件法速度快，但是不够灵活。通用DSP芯片：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。2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系16数字信号处理过程的波形示意图A/D变换：(抽样与量化）2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系17-30123435474nT2T-1数字信号处理过程的波形示意图（续）数字信号处理器：(DSP)2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系18y(n)01234n数字信号处理过程的波形示意图（续）D/A变换器：（平滑）模拟滤波器：2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系190y(t)三、数字信号处理的特点优点：精度高模拟系统：由元器件确定（10-3）；数字系统：由字长确定，由8位到16、32、64位，数字信号可存储、传送。2.灵活性高数字系统的性能主要由乘法器的系数决定。3.可靠性高只有“0”和“1”两个电平，受温度噪声影响小。4.容易集成规范性高，电路参数要求不高，体积小、重量轻。2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系20数字信号处理的优点（续）5.时分复用2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系21数字信号处理器同步多路开关多路开关输出输入......数字信号处理的优点（续）

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.7.便于二维与多维处理用存储一祯或数祯图象信号，实现二、多维处理。缺点：

1.增加复杂性（e.g.:A/D和D/A）；

2.速度不够高，工作频率也不够高(几十MHz以下)。2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系22四、数字信号处理的学科概貌1.信号的采集：实现信号的数字化，包括取样、量化。2.信号的分析：信号描述与运算，各种变换，时、频域分析，DFT。3.系统分析：线性系统与非线性系统，时变系统与时不变系统，线性时（移）不变系统，因果系统与非因果系统，线性时（移）不变因果系统。4.快速算法：

FFT,WFT，快速卷积、相关算法。5.数字滤波技术：(1)IIR数字滤波器的分析与设计；(2)FIR数字滤波器的分析与设计。6.功率谱估计与相关函数估计。7.信号压缩（语音、图像）。8.信号建模（AR、MA、ARMA）。2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系23五、数字信号处理的应用与发展应用：（1）滤波与变换：数字滤波/卷积、相关；（2）通信：各种调制/解调、自适应均衡、纠错、扩频、加/解密、回波对消、IP电话、软件无线电；（3）语音、语言：邮件、压缩、录音、识别、合成；（4）图形图像：压缩增强、复原重建、分割、识别、动画、视觉；（5）消费电子;（6）仪器仪表：（7）工控自动化；（8）医疗；（9）军事；雷达、声纳、导航、GPS、卫星、航空航天。2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系24DSP应用举例（1）滤波——选频滤波e.g.:多正弦信号：2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系25DSP应用：回波对消(I)（2）回波对消（来自远方的输入信号既耦合至耳机，又耦合至话筒传回去，产生回声）2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系26DSP应用：回波对消(II)对消方法：（将输入一方面送入混合线圈，另一方面又送入自适应滤波器与泄露至话筒的回声进行对消）2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系27应用：语音处理（3）语音处理均衡;编码与压缩多声道模拟、混响效果2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系28应用：信号预测（4）信号预测2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系29应用：信号传送（5）语音传输2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系30应用：图象处理（I）（6）图像处理：边缘检测2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系31应用：图象处理（II）

2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系32边沿检测原理：

边沿信号x[n]:边沿检测滤波器h[n]:数字信号处理的应用与发展（续）发展方向：（1）数字汇聚（融合）：信号处理、通信、计算机；（2）远程会议；（3）融合网络：公众通信网、计算机网、家庭网；（4）数字图书馆；（5）图文信息检索；（6）多媒体通信；（7）个人信息终端：PDA、个人通信系统。2024/7/2大连海事大学信息学院电子信息科学与技术系33六、本课程的主要内容第一章离散时间信号与系统(复习）第二章Z变换（复习）第三章离散傅立叶变换（DFT）第四章快速傅立叶变换（