數(shù)字信號處理教學課件緒論

1、中國礦業(yè)大學信電學院 數(shù)字信號處理 Digital Signal Processing(DSP) 課程性質：專業(yè)基礎課 40+8學時 前修課程：信號與線性系統(tǒng) 后續(xù)課程：DSP原理及應用 緒 論 一、信號與系統(tǒng) 二、數(shù)字信號處理(DSP) 三、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成 四、數(shù)字信號處理的特點 五、數(shù)字信號處理基本學科分支 六、數(shù)字信號處理實現(xiàn)方法 七、數(shù)字信號處理的應用領域 講授內容 參考書 緒 論 一、信號與系統(tǒng) 信號是信息的一種物理體現(xiàn)，是 信息的載體。 信號可以是多種多樣的。 信號以某種函數(shù)的形式傳遞信息。 這個函數(shù)可以是時間域、頻率域或其 它域。但最基礎的域是時域。 1. 模擬信號和

2、模擬系統(tǒng) 信號x(t)： 時間 連續(xù) 幅度 連續(xù) 處理這類信號的系統(tǒng) 模擬系統(tǒng) 2. 離散時間信號和系統(tǒng) 信號x(nT)： 時間 離散 幅度 連續(xù) 處理這類信號的系統(tǒng) 離散時間系統(tǒng) 注：可用x(n)代表時間離散、幅度連續(xù)的任 何序列。 即數(shù)字信號就是幅度量化了的離散時 間信號。 處理這類信號的系統(tǒng) 數(shù)字系統(tǒng) 3. 數(shù)字信號和數(shù)字系統(tǒng) 信號：時間、幅度均離散)(nxq “處理”- 用系統(tǒng)對信號進行某種加工。 包括： 濾波、分析、變換、綜合、壓縮、估 計、識別等等。 凡是利用數(shù)字計算機或專用數(shù)字硬件、對數(shù) 字信號所進行的一切變換或按預定規(guī)則所進 行的一切加工處理運算。 例如：濾波、檢測、參數(shù)提取、

3、頻譜分析 等。 或者說：數(shù)字信號處理是用數(shù)值計算的方法， 完成對信號的處理。 因此處理的實質是“運算”，運算的基 本單元是延時器、乘法器和加法器。 二、數(shù)字信號處理(DSP) 圖0-1就是一個簡單的數(shù)字濾波 器，由一個加法器、一個延時 器和一個乘法器組成。 因此處理的實質是“運算”， 運算的基本單元是延時器、加 法器和乘法器。 簡單的模擬濾波器 比較 三、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成 以下所討論的是模擬信號的數(shù)字信號處理 系統(tǒng). )(ny)(nx 將輸入信號xa(t)中高于某一頻率(稱折疊頻率， 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，抽樣后的信號稱為離散信 號。 在A/D變換器中的保持電路中進一步變換 為若干位碼即數(shù)字信號序列x(n) 。 (1)前置濾波器 (3)數(shù)字信號處理器(DSP) 按照預定要求，在處理器中將信號序列x(n) 進行加工處理得到輸出信號y(n). (4)D/A變換器 p由一個二進制碼流產生一個階梯波形，是 形成模擬信號的第一步。 (5)模擬濾波器 把階梯波形平滑成預期的模擬信號。 即濾除掉不需要的高頻分量，生成所需 的模擬信號ya(t). 四、數(shù)字信號處理的特點 與模擬系統(tǒng)(ASP)相比，數(shù)字系統(tǒng)具有的特點： 精度高 可靠性強 靈活性大 易于大規(guī)模集成 時分復用 可獲得高性能指標

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到10-3以上。 數(shù)字系統(tǒng)中，17位字長就可達10-5精度，所 以在高精度系統(tǒng)中，有時只能采用數(shù)字系統(tǒng)。 2.可靠性強 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、電磁感應等影 響，產生雜散效應甚至振蕩等 數(shù)字系統(tǒng)：只有兩個信號電平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 遠小于采用眾多分立元件構成的模擬系統(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)存儲器內，只需 改變存儲的系數(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，體積小、重量輕，對電路參數(shù)要求 不嚴。 例：(尤其)對低頻信號：如地震波分析，需要 過濾幾Hz -幾十Hz的信號，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， 且性能亦不能達到要求，而數(shù)字信號處理系統(tǒng) 在這個頻率處卻非常優(yōu)越，顯示出體積，重量 和性能的優(yōu)點。 5.可獲得高性能指標 即可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達到的指標或特性。 例：對信號進行頻譜分析 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：有限長沖激響

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

8、4.利用特殊用途的DSP芯片 1采用通用計算機用軟件實現(xiàn) 軟件采用高級語言編寫，也可利用商品化的 各種DSP軟件如MATLAB、SYSTEMVIEW等。 該方法實現(xiàn)簡單、靈活，但實時性較差，很少用 于實時系統(tǒng)，主要用于教學和科研的前期研制階 段 2. 用單片機 單片機發(fā)展已經很久，價格便宜，且功能很 強。優(yōu)點：可根據(jù)不同環(huán)境配不同單片機，可以 實時控制，但數(shù)據(jù)運算量不能太大。 3. 利用通用DSP芯片 DSP芯片較之單片機有著更為突出優(yōu)點。 如內部帶有乘法器，累加器，采用流水 線工作方式及并行結構，多總線速度快。 配有適于信號處理的指令(如FFT指令)等。 目前市場上的DSP芯片有： 美國德州

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 市場上推出專門用于FFT,FIR濾波器，卷積、 相關等專用數(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部用硬件電路實現(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)字信號處理的應用領域 自20世紀60年代以來，數(shù)

10、字信號處理的應用 已成為一種明顯的趨勢，這與它突出優(yōu)點分不 開的。 數(shù)字信號處理大致可分為： 信號分析 信號濾波 1. 信號分析 任務：涉及信號特性的測量。它通常是一個 頻域的運算。 主要應用于： 譜(頻率和/或相位)分析、語音分析 說話人識別、目標檢測、模式識別 2. 信號濾波 任務：是信號入-信號出的情況。實現(xiàn)這個 任務的系統(tǒng)被稱為濾波器。它通常(但不總是) 作時域運算。 主要應用于： 濾除不需要的背景噪聲，去除干擾， 頻帶分割，信號譜的成形等。 所以廣泛應用于數(shù)字通信，雷達，遙感，聲納， 語音合成，圖象處理，測量與控制，高清晰度 電視，多媒體物理學，生物醫(yī)學，機器人等。 3.DSP的典型

11、應用 網(wǎng)絡 無線通信 家電 另外還有虛擬現(xiàn)實，噪聲對消技術，圖像處 理等等 可以說DSP是現(xiàn)代信息產業(yè)的重要基石，它 在網(wǎng)絡時代的地位與CPU在PC時代的地位是 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 個人數(shù)據(jù)助理 移動通信系統(tǒng) 手機已不僅僅是通話的工具 數(shù)字照相機 飛機駕駛模擬器 全球定位系統(tǒng)（GPS） 講授內容 緒論 1.離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析 2.離散時間信號與系統(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)字濾波器的設計 6.FIR數(shù)字濾波器的設計 7.數(shù)字濾波器(DF)結構 頻譜分析 數(shù)字濾波 基礎 實驗內容 實驗一 FFT頻譜分析與應用 實驗二 IIR數(shù)字濾波器設計 實驗三 FIR數(shù)字濾波器設計 MATLAB軟件 第8章 參考書 1.數(shù)字信號處理教程 程佩青 清華大學出版社 2.數(shù)字信號處理(第二版) 丁玉美等 西安電子科技大學出版社 3. 數(shù)字信號處理導論 胡廣書 清華大學出版社 4. 數(shù)字信號處理 張小虹 機械工