數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)課件緒論

1、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院 數(shù)字信號(hào)處理 Digital Signal Processing(DSP) 課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課 40+8學(xué)時(shí) 前修課程：信號(hào)與線性系統(tǒng) 后續(xù)課程：DSP原理及應(yīng)用 緒 論 一、信號(hào)與系統(tǒng) 二、數(shù)字信號(hào)處理(DSP) 三、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成 四、數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn) 五、數(shù)字信號(hào)處理基本學(xué)科分支 六、數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法 七、數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域 講授內(nèi)容 參考書(shū) 緒 論 一、信號(hào)與系統(tǒng) 信號(hào)是信息的一種物理體現(xiàn)，是 信息的載體。 信號(hào)可以是多種多樣的。 信號(hào)以某種函數(shù)的形式傳遞信息。 這個(gè)函數(shù)可以是時(shí)間域、頻率域或其 它域。但最基礎(chǔ)的域是時(shí)域。 1. 模擬信號(hào)和

2、模擬系統(tǒng) 信號(hào)x(t)： 時(shí)間 連續(xù) 幅度 連續(xù) 處理這類(lèi)信號(hào)的系統(tǒng) 模擬系統(tǒng) 2. 離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng) 信號(hào)x(nT)： 時(shí)間 離散 幅度 連續(xù) 處理這類(lèi)信號(hào)的系統(tǒng) 離散時(shí)間系統(tǒng) 注：可用x(n)代表時(shí)間離散、幅度連續(xù)的任 何序列。 即數(shù)字信號(hào)就是幅度量化了的離散時(shí) 間信號(hào)。 處理這類(lèi)信號(hào)的系統(tǒng) 數(shù)字系統(tǒng) 3. 數(shù)字信號(hào)和數(shù)字系統(tǒng) 信號(hào)：時(shí)間、幅度均離散)(nxq “處理”- 用系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行某種加工。 包括： 濾波、分析、變換、綜合、壓縮、估 計(jì)、識(shí)別等等。 凡是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字硬件、對(duì)數(shù) 字信號(hào)所進(jìn)行的一切變換或按預(yù)定規(guī)則所進(jìn) 行的一切加工處理運(yùn)算。 例如：濾波、檢測(cè)、參數(shù)提取、

3、頻譜分析 等。 或者說(shuō)：數(shù)字信號(hào)處理是用數(shù)值計(jì)算的方法， 完成對(duì)信號(hào)的處理。 因此處理的實(shí)質(zhì)是“運(yùn)算”，運(yùn)算的基 本單元是延時(shí)器、乘法器和加法器。 二、數(shù)字信號(hào)處理(DSP) 圖0-1就是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波 器，由一個(gè)加法器、一個(gè)延時(shí) 器和一個(gè)乘法器組成。 因此處理的實(shí)質(zhì)是“運(yùn)算”， 運(yùn)算的基本單元是延時(shí)器、加 法器和乘法器。 簡(jiǎn)單的模擬濾波器 比較 三、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成 以下所討論的是模擬信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理 系統(tǒng). )(ny)(nx 將輸入信號(hào)xa(t)中高于某一頻率(稱(chēng)折疊頻率， 等于抽樣頻率的一半)的分量加以濾除。 (2)A/D變換器 在A/D變換器中每隔T秒(抽樣周期)取出一

4、 次xa(t)的幅度，抽樣后的信號(hào)稱(chēng)為離散信 號(hào)。 在A/D變換器中的保持電路中進(jìn)一步變換 為若干位碼即數(shù)字信號(hào)序列x(n) 。 (1)前置濾波器 (3)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 按照預(yù)定要求，在處理器中將信號(hào)序列x(n) 進(jìn)行加工處理得到輸出信號(hào)y(n). (4)D/A變換器 p由一個(gè)二進(jìn)制碼流產(chǎn)生一個(gè)階梯波形，是 形成模擬信號(hào)的第一步。 (5)模擬濾波器 把階梯波形平滑成預(yù)期的模擬信號(hào)。 即濾除掉不需要的高頻分量，生成所需 的模擬信號(hào)ya(t). 四、數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn) 與模擬系統(tǒng)(ASP)相比，數(shù)字系統(tǒng)具有的特點(diǎn)： 精度高 可靠性強(qiáng) 靈活性大 易于大規(guī)模集成 時(shí)分復(fù)用 可獲得高性能指標(biāo)

5、1.精度高 模擬系統(tǒng)中，它的精度是由元件決定，模擬 元器件的精度很難達(dá)到10-3以上。 數(shù)字系統(tǒng)中，17位字長(zhǎng)就可達(dá)10-5精度，所 以在高精度系統(tǒng)中，有時(shí)只能采用數(shù)字系統(tǒng)。 2.可靠性強(qiáng) 模擬系統(tǒng)：各參數(shù)都有一定的溫度系數(shù)，易 受環(huán)境條件，如溫度、振動(dòng)、電磁感應(yīng)等影 響，產(chǎn)生雜散效應(yīng)甚至振蕩等 數(shù)字系統(tǒng)：只有兩個(gè)信號(hào)電平0，1,受噪聲及 環(huán)境條件等影響小。 且數(shù)字系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路，其故障率遠(yuǎn) 遠(yuǎn)小于采用眾多分立元件構(gòu)成的模擬系統(tǒng)。 3.靈活性大 數(shù)字系統(tǒng)的性能主 要決定于乘法器的各 系數(shù)，且系數(shù)存放于 系數(shù)存儲(chǔ)器內(nèi)，只需 改變存儲(chǔ)的系數(shù)，就 可得到不同的系統(tǒng)， 比改變模擬系統(tǒng)方便 得多

6、。 4.易于大規(guī)模集成 數(shù)字部件：高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成，大 規(guī)模生產(chǎn)，體積小、重量輕，對(duì)電路參數(shù)要求 不嚴(yán)。 例：(尤其)對(duì)低頻信號(hào)：如地震波分析，需要 過(guò)濾幾Hz -幾十Hz的信號(hào)，用模擬系統(tǒng)處理其 電感器、電容器的數(shù)值，體積，重量非常大， 且性能亦不能達(dá)到要求，而數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng) 在這個(gè)頻率處卻非常優(yōu)越，顯示出體積，重量 和性能的優(yōu)點(diǎn)。 5.可獲得高性能指標(biāo) 即可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達(dá)到的指標(biāo)或特性。 例：對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析 模擬頻譜儀在頻率低端只能分析到10Hz以上頻 率，且難于做到高分辨率(也即足夠窄的帶寬)。 但在數(shù)字的譜分析中，已能做到10-3Hz的譜分析。 又例：有限長(zhǎng)沖激響

7、應(yīng)數(shù)字濾波器（FIR），則 可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的線性相位特性，這在模擬系統(tǒng)中是 很難達(dá)到的。 五、數(shù)字信號(hào)處理基本學(xué)科分支 DSP: 狹義理解可為 Digital Signal Processor - 數(shù)字信號(hào)處理器 廣義理解可為 Digital Signal Processing -數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) 在此我們討論的DSP的概念是指廣義的理解。 DSP的經(jīng)典內(nèi)容： *數(shù)字信號(hào)濾波 分為經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波 經(jīng)典濾波為本科階段學(xué)。主要為FIR 和IIR濾波器 *數(shù)字信號(hào)頻譜分析 FFT譜分析 統(tǒng)計(jì)頻譜分析 六、數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法 1.采用大、中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī)。 2.用單片機(jī)。 3.利用通用DSP芯片

8、4.利用特殊用途的DSP芯片 1采用通用計(jì)算機(jī)用軟件實(shí)現(xiàn) 軟件采用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)，也可利用商品化的 各種DSP軟件如MATLAB、SYSTEMVIEW等。 該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、靈活，但實(shí)時(shí)性較差，很少用 于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，主要用于教學(xué)和科研的前期研制階 段 2. 用單片機(jī) 單片機(jī)發(fā)展已經(jīng)很久，價(jià)格便宜，且功能很 強(qiáng)。優(yōu)點(diǎn)：可根據(jù)不同環(huán)境配不同單片機(jī)，可以 實(shí)時(shí)控制，但數(shù)據(jù)運(yùn)算量不能太大。 3. 利用通用DSP芯片 DSP芯片較之單片機(jī)有著更為突出優(yōu)點(diǎn)。 如內(nèi)部帶有乘法器，累加器，采用流水 線工作方式及并行結(jié)構(gòu)，多總線速度快。 配有適于信號(hào)處理的指令(如FFT指令)等。 目前市場(chǎng)上的DSP芯片有： 美國(guó)德州

9、儀器公司(TI):TMS320CX系列 占有90% 還有AT&T公司dsp16,dsp32系列 Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列 AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列 4. 利用特殊用途的DSP芯片 市場(chǎng)上推出專(zhuān)門(mén)用于FFT,FIR濾波器，卷積、 相關(guān)等專(zhuān)用數(shù)字芯片。如： BB公司：DF17XX系列 MAXIM公司：MAXIM27X ,MAXIM28X National公司：National-SEMI系列，MF系 列。 其軟件算法已在芯片內(nèi)部用硬件電路實(shí)現(xiàn)， 使用者只需給出輸入數(shù)據(jù)，可在輸出端直接 得到數(shù)據(jù)。 七、數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域 自20世紀(jì)60年代以來(lái)，數(shù)

10、字信號(hào)處理的應(yīng)用 已成為一種明顯的趨勢(shì)，這與它突出優(yōu)點(diǎn)分不 開(kāi)的。 數(shù)字信號(hào)處理大致可分為： 信號(hào)分析 信號(hào)濾波 1. 信號(hào)分析 任務(wù)：涉及信號(hào)特性的測(cè)量。它通常是一個(gè) 頻域的運(yùn)算。 主要應(yīng)用于： 譜(頻率和/或相位)分析、語(yǔ)音分析 說(shuō)話人識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)、模式識(shí)別 2. 信號(hào)濾波 任務(wù)：是信號(hào)入-信號(hào)出的情況。實(shí)現(xiàn)這個(gè) 任務(wù)的系統(tǒng)被稱(chēng)為濾波器。它通常(但不總是) 作時(shí)域運(yùn)算。 主要應(yīng)用于： 濾除不需要的背景噪聲，去除干擾， 頻帶分割，信號(hào)譜的成形等。 所以廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信，雷達(dá)，遙感，聲納， 語(yǔ)音合成，圖象處理，測(cè)量與控制，高清晰度 電視，多媒體物理學(xué)，生物醫(yī)學(xué)，機(jī)器人等。 3.DSP的典型

11、應(yīng)用 網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線通信 家電 另外還有虛擬現(xiàn)實(shí)，噪聲對(duì)消技術(shù)，圖像處 理等等 可以說(shuō)DSP是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的重要基石，它 在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的地位與CPU在PC時(shí)代的地位是 一樣的。 各種數(shù)字信息系統(tǒng) Military and Government Cellular, Secure Connectivity Digital Media Processing Web pad Telematics Wireless Devices: 802.11, Bluetooth, Others Enhanced Gaming Industry-Specific PDAs Biometrics Medical Devic

12、es PDA 個(gè)人數(shù)據(jù)助理 移動(dòng)通信系統(tǒng) 手機(jī)已不僅僅是通話的工具 數(shù)字照相機(jī) 飛機(jī)駕駛模擬器 全球定位系統(tǒng)（GPS） 講授內(nèi)容 緒論 1.離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析 2.離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的頻域分析 3.離散傅里葉變換DFT 4.快速傅里葉變換FFT 5.IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 6.FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì) 7.數(shù)字濾波器(DF)結(jié)構(gòu) 頻譜分析 數(shù)字濾波 基礎(chǔ) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)一 FFT頻譜分析與應(yīng)用 實(shí)驗(yàn)二 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)三 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) MATLAB軟件 第8章 參考書(shū) 1.數(shù)字信號(hào)處理教程 程佩青 清華大學(xué)出版社 2.數(shù)字信號(hào)處理(第二版) 丁玉美等 西安電子科技大學(xué)出版社 3. 數(shù)字信號(hào)處理導(dǎo)論 胡廣書(shū) 清華大學(xué)出版社 4. 數(shù)字信號(hào)處理 張小虹 機(jī)械工