数字信号处理-课件 第1章 数字信号处理概述

*课程：数字信号处理

第1章数字信号处理概述

课程基本信息

课程性质：必修课课程地位：电子信息类和IT类专业的重要专业课各重点大学硕士、博士考试课程之一总学时：48

授课：36

上机：12课程：数字信号处理

教材：数字信号处理，陈天华，清华大学出版社*绪论课讲什么？*1）信号处理学科的内容发展概貌2）数字信号处理课程的基础概念1-1数字信号处理的基本概念第1章数字信号处理概述（绪论）1.信号及系统

信号——带有信息的随时间和空间变化的物理量或物理现象。信号是信息的物理表现形式，或者说是传递信息的函数，而信息则是信号的具体内容。*1）信号的分类根据不同应用目的，对信号有各种不同的分类方法，同一信号，从不同角度分类，可以归于不同的类别。常用的信号分类方法有以下几种：（1）按变量个数分类可以分为一维信号、二维信号和多维信号。信号的变量可以是时间、频率、空间或其它物理量（2）按周期性分类可以分为周期信号和非周期信号。（3）根据信号概率特征分类可以分为确定信号和随机信号。若信号在任意时刻具有确定的取值，则称为确定信号；若信号在任意时刻的取值不能确定，则称为随机信号。（4）根据能量特性分类可以分为能量信号和功率信号两类。若信号的能量E为有限值，则称为能量信号；若信号的功率P有限值，则称为功率信号。

（5）按载体分类可以分为电信号、磁信号、声信号、光信号、热信号、机械信号。（6）根据变量的连续性分类可以分为模拟信号、连续时间信号、离散时间信号和数字信号。变量和函数的取值均有连续与离散两种，因此，信号可以分为以下四种情况：模拟信号：时间和幅值均是连续的信号。连续时间信号：自变量时间是连续的信号。离散时间信号（或称序列）：自变量时间是离散的信号。数字信号：时间离散、幅值量化的信号。一般情况下，连续时间信号和模拟信号不加严格区分，经常通用；*但通常情况下：（2）离散时间信号和数字信号也不加严格区分，经常通用；虽然根据定义，连续时间信号、模拟信号、离散时间信号、数字信号是不同的（1）连续时间信号和模拟信号不加严格区分，经常通用；*2）信号的描述

信号需要加以描述才可以进行研究和掌握其规律，进而为人类所认识和利用。

信号的描述方法多种多样，常用的方法主要包括数学描述、图像（波形）描述两种。

数学描述：指将信号表示为一个或若干个自变量的函数、数列或表格的形式。

图像描述：指根据信号随自变量变化的函数关系，将信号的波形绘出。*2.信号处理

数字信号处理是指根据需要用专用或通用计算机，以数字计算的方式对信号进行处理与变换，如信号的滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等一系列的运算和分析，以获取应用所需要的信号，从而达到便于提取信息或便于利用。DSP(DigitalSignalProcessing)是近几十年发展起来的一门新兴学科。DSP另一种含义：DigitalSignalProcessor指DSP处理器。1.2数字信号处理系统

*1.DSP系统的组成

（1）数字信号处理系统的一般组成框图如下所示：

（2）各单元的作用*

前置预滤波器：滤除高于某一频率的信号，防混迭失真。

A/D变换器：完成抽样和量化，实现数字化。如下图所示：*抽样量化信号处理数字信号处理器的作用：

*D/A变换器：模拟滤波器：0y(t)**2.数字信号处理的实现2）硬件实现：①专用DSP芯片实现②通用DSP芯片实现③其它硬件方式实现数字信号处理器的实现既可以采用硬件芯片实现，也可以采用软件算法实现。1）软件实现：

指采用通用的计算机或微机等设备，通过软件代码实现对输入信号进行运算和处理，实现预定的数字信号处理功能1)专用DSP芯片：专门应用设计，用途单一3）DSP常用芯片2)通用DSP芯片：用途较广泛，价格便宜如：TMS320C2000系列TMS320C5000系列TMS320C6000系列ADSP21系列*附注：DSP芯片的主要特点

1）采用哈佛体系结构：程序与数据的存储空间分开，各有各的地址总线和数据总线

2）一个指令周期内可以完成一次乘法和加法运算

3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线同时访问两快芯片4）快速的中断处理和硬件I/O支持5）可以并行执行多个操作6）具有在单周期内操作的硬件地址产生器7）具有低开销和零开销循环及跳转的意见支持8）支持流水线操作，指令、译码和执行等都可以流水执行*1-3

数字信号处理学科概貌（研究内容）*

1.研究内容

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，时域、频域分析。3）系统分析线性系统与非线性系统，时变系统与非时变系统，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）信号的频谱分析与估值确定信号：谱分析；随机信号：相关计算、谱估计。7）特殊算法反卷积，信号重构。8）数字信号处理的实现(1)在通用微机上，用软件实现;(2)用单片机实现;(3)专用数字信号处理芯片DSP。*2.数字信号处理的特点*

1）精度高模拟系统：由元器件确定（10-3）；数字系统：由字长确定。如14位字长即可以达到10-4的精度。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。5）时分复用：利用数字信号处理器同时处理几个通道的信号。*6.可获得高性能指标如频谱分析：模拟方法低端只能达到10Hz;数字方法可做10-3Hz的谱分析.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。8.速度高体积小数字信号处理器不仅运算速度高，而且体积小。*

1-4应用领域与发展方向*

1.应用领域

航空航天（神州五号、勇气号、机遇号等）

通信领域（手机、局端设备、ADSL、3G等）

地理信息系统（GPS等）

图形图象处理（几乎全部数字图象处理）

滤波与变换（生物信号的滤波、ECG信号分析）

医疗器械（如：B超、CT、核磁共振）

仪器仪表及工业控制领域（电力控制2812系列）

军事科学（扩频通信、卫星通信等）

语音分析与处理（语音信号的分析与模拟）*2.发展方向

1-4应用领域与发展方向

物联网和设备个性化是当前信息化和数字化的特征，目前，硬件在朝更小面积、更低功耗和更高性能的高集成度解决方案上发展，DSP芯片业开始从纯粹的DSP芯片供应商向广义的DSP解决方案供应商转变。（1）智慧信息处理。即信号处理、通信和智能算法融合，其核心是数字信号处理技术，它将智能技术、通信技术、数字多媒体技术紧密结合在一起，并将用于各类消费电子产品的设计与生产之中。（2）网络融合。将卫星网、物联网、公用电信网及各种专用网络更好地结合在一起，并与家用信息设施相匹配。（3）个人信息终端。将个人通信系统与个人数字助理自然地结合在一起，以实现无时不有、无处不在的通信功能。（4）DSP内核结构提升。DSP的结构主要是针对应用，并根据应用优化DSP设计以极大改进产品的性能。*

（5）超高速和超微尺寸。在硬件方面，由于电子设备的个人化趋势，DSP追求更高更快的运算速度是硬件技术的方向与趋势。DSP体系结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。（6）DSP和微处理器的融合。微处理器是低成本的，主要执行智能定向控制任务的通用处理器能很好执行智能控制任务，而信号处理能力较弱，DSP的功能与之相反。未来趋势是应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能。（7）定点DSP技术。虽然浮点DSP的运算精度更高、动态范围更大，但定点DSP器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电更省。（8）DSP与可编程器件融合。FPGA和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。本课程的特点*1.数学工具多涉及数学分析，概率论，数理统计，随机过程，高等代数，数值分析，积分变换，复变函数等。

2.要求基础好网络理论、信号与系统是本课程的理论基础。

3.与其它学科密切相连既与最优控制、通信理论、故障诊断、计算机、微电子技术密不可分，又是人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科的理论基础之一。数字信号处理涉及的主要基础理论：DSP涉及基础理论数学工具

专业基础数学分析概率论数理统计随机过程高等代数数值分析积分变换复变函数网络理论信号与系统*推荐参考书

经典的：1.A.V.Oppenheim，“DigitalSignalProcessing”,1975.中译本有多种2.W.D.Stanley,“DigitalSignalProcessing”,1975.中译本常迥译1979.*

3.吴镇扬，数字信号的原理与实现，东南大学.4.陈后金，数字信号处理，高等教育出版社，

2021.

5.丁玉美等，数字信号处理，西安电子科大，（第