《数字信号处理》第3版 课件 第00章 绪论

绪论1.什么是数字信号2.什么是数字信号处理3.数字信号处理的实现4.数字信号处理的优势5.数字信号处理的应用6.本课程的内容121.什么是数字信号信息是客观世界中各种事物的状态和特征的反映，是消息中包含的有意义的内容。我们把信息的载体和表现形式称为信号。表示成信号的分类:电信号、磁信号、声音信号、光信号、机械信号和热信号等；一维、二维和多维信号；周期信号和非周期信号；确定信号和随机信号;连续时间信号、离散时间信号、模拟信号和数字信号：自变量和幅值均连续的信号称为模拟信号；自变量和幅度均离散的信号称为数字信号；自变量连续而幅值连续或离散的信号统称为连续时间信号；自变量离散而幅值连续或离散的信号统称为离散时间信号。

信号的分类3数字信号的本质是用有限数量的有限精度的数字表示信号4自然界产生的信号一般都是模拟信号，数字信号由数字设备直接产生或从模拟信号转换得到，称为模数转换（A/D：AnalogtoDigital）。在某些情况下，还需要将数字信号转换成模拟信号，称为数模转换（D/A：DigitaltoAnalog）。5（4）CD光盘：数字和模拟声音信号举例数字记录声带等震动麦克风的电压变化模拟记录（1）磁带：（2）乙烯树脂唱片：（3）磁盘：用磁性强弱记录用密布的波状沟纹记录用微粒被吸引至两个方向之一记录0和1用铝层表面的凹凸不平记录0和1模拟信号数字信号（2进制）气压变化和传播62.什么是数字信号处理系统分类：连续时间系统：输入输出都是连续时间信号的系统；离散时间系统：输入输出都是离散时间信号的系统；模拟系统：输入输出都是模拟信号的系统；数字系统：输入输出都是数字信号的系统；数字信号处理的本质特点：

由加法、乘法和延迟三种基本操作构成。模拟和数字系统对比举例7差分方程连续时间低通滤波器离散时间低通滤波器(>0)的信号流图电阻、电容、运放等电子元件组成的物理网络加法、乘法、延迟单元组成的硬件或软件程序

一维数字低通滤波举例一维数字高通滤波举例低通滤波（3X3模板）高通滤波（3X3模板）二维数字滤波器举例二维数字低通滤波举例

（9*9模版）二维数字高通滤波举例

（9*9模版）133.软硬结合3.数字信号处理的实现1.纯软件实现2.纯硬件实现功能灵活；速度较慢速度快，体积小；功能不灵活速度快，功能灵活微控制器FPGA通用可编程DSP芯片（DigitalSignalProcessor）DSP芯片的特点采用改进的哈佛总线结构（可同时存取指令和数据）；有硬件乘法器；使用流水线结构；有片内内存；有一套专为数字信号处理设计的寻址方式（例如循环寻址和倒位序寻址）和指令系统（例如乘加指令）；多芯片并行运行。CPU存储器（数据和指令）总线普林斯顿结构（又称冯•诺依曼结构）CPU指令存储器数据存储器总线总线哈佛结构16 TI：定点TMS320C1X,TMS320C2X/C2XX,TMS320C5X/C54X,TMS320C62XX

浮点TMS320C3X/C4X/C8X/C67XX。

ADI:定点ADSP21XX；浮点ADSP21XXX AT&T:定点DSP16,DSP16A,DSP16C,DSP1610,DSP1616； 浮点DSP32,DSP32C,DSO3210

MOTOROLA:定点MC56000,MC56001,MC56002;

浮点MC96002;

专用：MC56200,MC56156DSP芯片举例17浮点与定点芯片的主要优劣比较类型动态范围精度字长程序开发周期功耗速度价格浮点大高32位（可扩至40）短高慢高定点小低16位长低快低18系统必须在有限的时间内对外部的输入信号完成指定的处理，即信号处理的速度必须大于或等于信号更新（采集或回放）的速度；从信号输入到处理后信号输出的延迟必须足够小。实时实现机制

算法复杂度 实时性取决于 数据量（采样率） 设备的处理速度缓冲大小乒乓缓冲19例如：音频信号的采样及压缩（DSP或CPU执行程序）分配乒乓（双）缓冲或循环（多）缓冲，每个缓冲大小为一帧。中断程序将采集的数据放在乒缓冲内，同时主程序对乓缓冲内的数据取数进行压缩。 如果乒缓冲被放满前，乓缓冲的数据已被压缩完并存入硬盘，则压缩程序等待乒缓冲放满，然后压缩乒缓冲的数据，中断程序继续采样并将数据放入乓缓冲，也就是两个缓

冲交换。这就是实时处理。

如果处理速度低于采样速度，则当乒缓冲被放满时，乓缓冲的数据还未被压缩完，中断程序就要等待压缩程序，即采样的部分数据被丢掉不处理，这就是不能达到实时处理。设采样率48KHz，帧长为1152个采样点。则采样一帧的时间为1152/48k=24ms，所以压缩一帧的时间须小于24ms，

延时=采样时间+处理时间。又如：音频信号的解压及回放解压后的数据帧和正在回放的数据帧分别放在乒乓缓冲中。解压程序速度必须高于回放速度。

204.数字信号处理的优势(3)可靠性和可重复性好(1)处理精度高：(2)灵活性好数字系统的精度由字长决定，易于控制；模拟系统处理精度取决于器件的参数误差，一般误差较大，提高精度困难，难以控制。改变硬件系统存储器中的系数或软件指令即可改变功能。模拟系统元器件的参数受环境温度影响；数字电路主要工作在截止和饱和状态，对电路参数要求不高，产品成品率高，受环境温度的影响小，易于电脑处理。21(6)处理功能多

(4)小巧廉价(5)有可预见性数字部件有高度规范性，易于大规模集成可用软件仿真的手段得到结果无损压缩、

线性相位、纠错编码、

中继再生。

22数字基带信号和2FSK调制信号举例无论基带信号还是调制信号都只有2个或多个区分度明显的状态，易于识别和修复。只有2个状态是数字信号抗干扰能力强、设备成品率高等优点的根本性原因23(1)数据量大，压缩很关键而MP3仅为128kbps=16k字节/S，压缩比12：1，双声道需存储空间1M/分钟假设用48kHz、16bit来进行立体声采样比特率为：48000*16*2/8=192K字节/S一个汉字在电脑里占用两个字节，192K字节可以存储9.6万个汉字（一部中篇小说）。

未压缩的视频信号数据量640*480*24帧/秒=27Mby