數(shù)字信號處理教程

1、數(shù)字信號處理教程 Digital Signals Processing （DSP） （）（） 數(shù)字信號處理教程 u教材教材 數(shù)字信號處理教程數(shù)字信號處理教程（第三版）程偑青編著（第三版）程偑青編著 清華大學出版社清華大學出版社 數(shù)字數(shù)字信號處理信號處理 冷建華等冷建華等 國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社 數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理 AV奧本海姆，奧本海姆，R.W.謝弗，謝弗， 科學出版社，科學出版社，1983 離散時間信號處理離散時間信號處理 AV奧本海姆，奧本海姆，R.W.謝費，謝費， 科學出版社，科學出版社，1998 數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理 丁玉美等丁玉美等 西安電子科技大學出版社西安電子科技

2、大學出版社 數(shù)字信號處理教程 基于Matlab的系統(tǒng)分析與設計-信號處理 樓順天 李博菡 編著 西安電子科大出版社 數(shù)字信號處理教程 uDigital Signal Processing的研究內(nèi)容 u 發(fā)展歷程 u 主要應用 u 實現(xiàn)方法 u DSP概述 u 本課程的基本內(nèi)容與安排 數(shù)字信號處理教程 一、一、Digital Signal Processing的研究內(nèi)容的研究內(nèi)容 Digital Signal Processing的內(nèi)容的內(nèi)容 利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O備，以數(shù)值計算的方法對利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O備，以數(shù)值計算的方法對 信號進行濾波、變換、檢測、譜分析、估計、壓縮、識信號進行濾波、變

3、換、檢測、譜分析、估計、壓縮、識 別等加工處理，以達到提取信息和便于應用的目的。別等加工處理，以達到提取信息和便于應用的目的。 對數(shù)字信號進行處理的基礎理論對數(shù)字信號進行處理的基礎理論 DSP的含義的含義 Digital Signal Processors Digital Signal Processing 數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器 數(shù)字信號處理教程 信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)主要解決的問題：主要解決的問題： 1）連續(xù)信號及其頻譜分析）連續(xù)信號及其頻譜分析 ( )() FT a xtX j 2）連續(xù)時間系統(tǒng)的時域及頻域分析）連續(xù)時間系統(tǒng)的時域及頻域分析 )()( )()( sHth jHth a

4、 LT a a FT a 數(shù)字信號處理教程 信號是一種物理體現(xiàn)。在信號處理領域中，信 號被定義為一個隨機變化的物理量。 例如：為了便于處理，通常都使用傳感器把這 些真實世界的物理信號-電信號，經(jīng)處理的 電信號-傳感器-真實世界的物理信號。 如現(xiàn)實生活中最常見的傳感器是話筒、揚聲器 話筒(將聲壓變化)-電壓信號-空氣壓力信 號(揚聲器) 數(shù)字信號處理教程 同一種信號，如電信號，可從不同角度進行分 類： （a）一維信號、二維信號、矢量信號 （b）周期信號和非周期信號 （c）確定性信號和隨機信號 （d）能量信號和功率信號 （e）連續(xù)信號、離散信號 （f）模擬信號和數(shù)字信號 數(shù)字信號處理教程 若信號滿

5、足： x(t)=x(t+kT), k為正整數(shù)； 或 x(n)=x(n+kN) k,N皆為正整數(shù)， n+kN為任意整數(shù)， 則x(t)和x(n)都是周期信號，周期分別為T和N； 否則就是非周期信號。 數(shù)字信號處理教程 確定性信號：若信號在任意時刻的取值能精確確定，則稱它：若信號在任意時刻的取值能精確確定，則稱它 為確定信號；它的一個值可以用有限個參量來唯一地加以描為確定信號；它的一個值可以用有限個參量來唯一地加以描 述。述。 例：直流信號：僅用一個參量可以描述。階躍信號：可用幅例：直流信號：僅用一個參量可以描述。階躍信號：可用幅 度和時間兩個參量描述。正弦波信號：可用幅度、頻率和相度和時間兩個參量

6、描述。正弦波信號：可用幅度、頻率和相 位三個參量來描述。位三個參量來描述。 隨機信號：若信號在任意時刻的取值不能精確確定，或說取若信號在任意時刻的取值不能精確確定，或說取 值是隨機的，即它不能用有限的參量加以描述。也無法對它值是隨機的，即它不能用有限的參量加以描述。也無法對它 的未來值確定性地預測。它只能通過統(tǒng)計學的方法來描述的未來值確定性地預測。它只能通過統(tǒng)計學的方法來描述(概概 率密度函數(shù)來描述率密度函數(shù)來描述)。 例：許多自然現(xiàn)象所發(fā)生的信號、語音信號、圖象信號、噪例：許多自然現(xiàn)象所發(fā)生的信號、語音信號、圖象信號、噪 聲都是隨機信號。它們具有幅度聲都是隨機信號。它們具有幅度(能量能量)隨

7、機性、或具有發(fā)生隨機性、或具有發(fā)生 時間上的隨機性或二都兼有之。時間上的隨機性或二都兼有之。 數(shù)字信號處理教程 若信號能量E有限，則稱為能量信號； 若信號功率P有限，則稱為功率信號； 信號能量E可表示為 n nxE dttxE 2 2 )( )( 數(shù)字信號處理教程 1 0 2 0 2 )( 1 lim )( 1 lim N n N T T nx N P dttx T P 信號功率信號功率P可表示為可表示為 周期信號及隨機信號一定是功率信號；周期信號及隨機信號一定是功率信號； 非周期的絕對可積（和）信號一定是能量信號。非周期的絕對可積（和）信號一定是能量信號。 數(shù)字信號處理教程 模擬信號：指時間

8、連續(xù)、幅度連續(xù)的信號。 數(shù)字信號：時間和幅度上都是離散（量化）的 信號。故數(shù)字信號可用一序列的數(shù)表示，而每 個數(shù)又可表示為二制碼的形式。 x(t) t x(tn) tn x(n) n 采樣 模數(shù) 保持 轉(zhuǎn)換 數(shù)字信號處理教程 系統(tǒng)：處理信號的物理設備?；蛘哒f，凡是能 將信號加以變換以達到人們要求的各種設備稱 之系統(tǒng)。 系統(tǒng)分類：大小之分，一個大系統(tǒng)可細分為若 干個小系統(tǒng)。 實際上，因為系統(tǒng)是完成某種運算（操作）的， 因而我們還可把軟件編程也看成一種系統(tǒng)的實 現(xiàn)方法。 數(shù)字信號處理教程 按所處理的信號種類的不同可將系統(tǒng)分為四類： （a）連續(xù)時間系統(tǒng) （b）離散時間系統(tǒng) （c）模擬系統(tǒng) （d）數(shù)字

9、系統(tǒng) 數(shù)字信號處理教程 信號與系統(tǒng)信號與系統(tǒng)主要解決的問題：主要解決的問題： 1）連續(xù)信號及其頻譜分析）連續(xù)信號及其頻譜分析 ( )() FT a xtX j 2）連續(xù)時間系統(tǒng)的時域及頻域分析）連續(xù)時間系統(tǒng)的時域及頻域分析 )()( )()( sHth jHth a LT a a FT a 數(shù)字信號處理教程 0100200300400500600 6 7 8 9 10 00.511.522.533.5 0 50 100 150 200 250 0.6651.314 kHz 雙音頻電話按鍵雙音頻電話按鍵“2”信號的時域及幅頻特性信號的時域及幅頻特性 數(shù)字信號處理教程 1. 數(shù)字信號的頻譜及快速計

10、算數(shù)字信號的頻譜及快速計算(FFT) 2. 數(shù)字濾波器的設計及實現(xiàn)數(shù)字濾波器的設計及實現(xiàn) DSP課程主要解決的問題：課程主要解決的問題： ( )() ( )( ) SFTj ZT h nH e h nH z 頻頻率率響響應應 系 系統(tǒng)統(tǒng)函函數(shù)數(shù) () ( )( )()() ( ) s TSFTj aas N DFT x tx nx nTX e X k 數(shù)字信號處理教程 二、發(fā)展歷程二、發(fā)展歷程 起源于十七、十八世紀離散數(shù)學起源于十七、十八世紀離散數(shù)學 發(fā)展可以分為發(fā)展可以分為2個階段：個階段： 各種模擬信號的數(shù)字化階段各種模擬信號的數(shù)字化階段 數(shù)字信號處理技術本身的發(fā)展階段數(shù)字信號處理技術本身

11、的發(fā)展階段 動力：動力：FFT算法的出現(xiàn)，微電子技術的發(fā)展算法的出現(xiàn)，微電子技術的發(fā)展 誕生于誕生于1965年，快速傅立葉變換的問世年，快速傅立葉變換的問世 （P5） 數(shù)字信號處理教程 五十年代：信號處理用模擬系統(tǒng)來完成；五十年代：信號處理用模擬系統(tǒng)來完成； 二、發(fā)展歷程二、發(fā)展歷程 七十年代：成熟期。七十年代：成熟期。1975年，出版了年，出版了 數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理，1989、1999分別出版分別出版 了兩版的了兩版的離散時間信號處理離散時間信號處理。 DSP應用：信號先存儲，后處理；應用：信號先存儲，后處理； 設計模擬系統(tǒng)之前，先計算機仿真。設計模擬系統(tǒng)之前，先計算機仿真。 特點：由

12、于沒有快速算法并且計算機運算速度有特點：由于沒有快速算法并且計算機運算速度有 限，因此限，因此DSP無法實時完成，故無法實時完成，故DSP未得未得 到實際應用。到實際應用。 六十年代：發(fā)展期。六十年代：發(fā)展期。1965年，年，Tukey和和Cooly提出了提出了FFT。 加之計算機運算速度的提高，加之計算機運算速度的提高，DSP開始得到開始得到 實際應用。實際應用。 數(shù)字信號處理教程 三、主要應用三、主要應用 通信、消費電子、儀器、工業(yè)控制與自動化、醫(yī) 療和軍事等領域 數(shù)字信號處理教程 應用領域應用領域應用應用 通用領域通用領域包括數(shù)字濾波、卷積、相關、快速傅立葉變換等；包括數(shù)字濾波、卷積、相

13、關、快速傅立葉變換等； 通信領域通信領域程控交換機，移動電話，調(diào)制解調(diào)器，擴頻通信程控交換機，移動電話，調(diào)制解調(diào)器，擴頻通信/衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信 /TDMA/FDMA/CDMA，IP電話，軟件無線電等；電話，軟件無線電等； 語音、語言、語音、語言、 音頻處理音頻處理 語音編碼，聲碼器，語音識別和合成，語音增強，人造耳蝸，語音語音編碼，聲碼器，語音識別和合成，語音增強，人造耳蝸，語音 郵件，數(shù)字錄音系統(tǒng)，文本語音變換，郵件，數(shù)字錄音系統(tǒng)，文本語音變換，hi-fi，混頻和編輯等；，混頻和編輯等； 圖像、圖形圖像、圖形 處理處理 圖像壓縮、增強、復原、重建、變換，分割，傳輸，模式識別（人圖像壓縮、增強

14、、復原、重建、變換，分割，傳輸，模式識別（人 臉識別、數(shù)字識別）、人造視網(wǎng)膜，電子地圖、電子出版物、動畫臉識別、數(shù)字識別）、人造視網(wǎng)膜，電子地圖、電子出版物、動畫 等；等； 消費電子消費電子數(shù)字音頻、數(shù)字電視、電子玩具和游戲、數(shù)字音頻、數(shù)字電視、電子玩具和游戲、CD/VCD/DVD播放機、數(shù)播放機、數(shù) 字留言字留言/應答機、汽車電子裝置等；應答機、汽車電子裝置等； 工業(yè)控制與工業(yè)控制與 自動化自動化 機器人控制、伺服控制、磁盤控制、打印機控制、發(fā)動機控制、振機器人控制、伺服控制、磁盤控制、打印機控制、發(fā)動機控制、振 動控制、動力系統(tǒng)監(jiān)控器等；動控制、動力系統(tǒng)監(jiān)控器等； 儀表設備儀表設備信號發(fā)生

15、器、頻譜儀、自動化儀器儀表、科學儀器設備等；信號發(fā)生器、頻譜儀、自動化儀器儀表、科學儀器設備等； 醫(yī)療醫(yī)療病人監(jiān)視、超聲儀器、病人監(jiān)視、超聲儀器、CT掃描、核磁共振、助聽器等；掃描、核磁共振、助聽器等； 軍事軍事雷達和聲納處理、導航、全球定位系統(tǒng)（雷達和聲納處理、導航、全球定位系統(tǒng)（GPS）、偵察衛(wèi)星、航空）、偵察衛(wèi)星、航空 航天測試、自適應波束形成、陣列信號處理等航天測試、自適應波束形成、陣列信號處理等 信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)傳真、數(shù)字通信和局域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、廣播和電視等；傳真、數(shù)字通信和局域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、廣播和電視等； 數(shù)字信號處理教程 A、軟件仿真：在通用的計算機上編程、軟件仿真：在通用的

16、計算機上編程 （MatlabSystemViewC/C+開發(fā)工具等）開發(fā)工具等） （教學、科研）（教學、科研） 四、實現(xiàn)方法四、實現(xiàn)方法 B、硬件實現(xiàn)：數(shù)字信號處理硬件設備、硬件實現(xiàn)：數(shù)字信號處理硬件設備 （DSP芯片，芯片，ASIC，F(xiàn)PGA等）等） 課程簡介 數(shù)字信號處理教程 ASIC：（Application Specific Intergrated Circuits）即專用集成電路，是指應特定用戶要求和 特定電子系統(tǒng)的需要而設計、制造的集成電路。目前 用CPLD（復雜可編程邏輯器件）和FPGA（現(xiàn)場可編程 邏輯陣列）來進行ASIC設計是最為流行的方式之一， ASIC的特點是面向特定用戶

17、的需求，品種多、批量少， 要求設計和生產(chǎn)周期短，它作為集成電路技術與特定 用戶的整機或系統(tǒng)技術緊密結合的產(chǎn)物，與通用集成 電路相比具有體積更小、重量更輕、功耗更低、可靠 性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優(yōu)點。 數(shù)字信號處理教程 FPGA：（Field Programmable Gate Array）現(xiàn)場可 編程門陣列，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件 的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路 （ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決 了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路 數(shù)有限的缺點。 數(shù)字信號處理教程 通用DSP芯片：內(nèi)部帶有乘法器，累加器，采 用流

18、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等。 目前市場上的DSP芯片有： 美國德州儀器公司(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 數(shù)字信號處理教程 專用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(nèi)部用硬件電路實現(xiàn)，使

19、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)。 數(shù)字信號處理教程 ADSP2106XTMS320C4XADSP21160TMS320C6701 生產(chǎn)日期生產(chǎn)日期95919998 運算速度運算速度120MFLOPS80MFLOPS600MFLOPS1GFLOPS 主主 頻頻40M(25ns)80M(25ns)100M167M 1024點復點復 數(shù)數(shù)FFT 0.46ms1.3ms96us120us DSP主要生產(chǎn)商主要生產(chǎn)商AD、TI兩大公司主要產(chǎn)品性能比較（浮點兩大公司主要產(chǎn)品性能比較（浮點DSP） 課程簡介 數(shù)字信號處理教程 五、五、DSP概述概述 1. DSP的定義的定義 研究如何用數(shù)字或

20、符號序列來表示信號以及對這些序列研究如何用數(shù)字或符號序列來表示信號以及對這些序列 作處理的一門學科。作處理的一門學科。 2. DSP領域的組成領域的組成 信號的采集（信號的采集（A/D、抽樣定理、多抽樣率、量化噪聲分析等）、抽樣定理、多抽樣率、量化噪聲分析等） 離散時間信號分析（時域及頻域的分析、各種變換技術）離散時間信號分析（時域及頻域的分析、各種變換技術） 離散時間線性非時變（離散時間線性非時變（LTI：Linear time-invariant）系統(tǒng)）系統(tǒng) 因果穩(wěn)定的因果穩(wěn)定的h（n）、）、H（z）、）、H(ejw) 課程簡介 數(shù)字信號處理教程 信號處理中的快速算法：信號處理中的快速算法

21、：FFT、卷積與相關等、卷積與相關等 濾波技術：濾波技術：IIR、FIR數(shù)字濾波器的設計及實現(xiàn)數(shù)字濾波器的設計及實現(xiàn) 信號處理中的特殊算法：抽取、插值、反卷積、信號重建等信號處理中的特殊算法：抽取、插值、反卷積、信號重建等 信號的估值：各種估值理論、相關函數(shù)與功率譜估計等信號的估值：各種估值理論、相關函數(shù)與功率譜估計等 信號的建模：最常用的有信號的建模：最常用的有AR、MA、ARMA的各種模型的各種模型 數(shù)字信號處理教程 簡單的數(shù)字高通濾波器簡單的數(shù)字高通濾波器 延時延時 x(n)y(n) a C R xa(t)ya(t) 簡單的模擬高通濾波器簡單的模擬高通濾波器 模擬濾波系統(tǒng)一般由電感、電容

22、、電阻或其它模擬器件組模擬濾波系統(tǒng)一般由電感、電容、電阻或其它模擬器件組 成；數(shù)字濾波系統(tǒng)只需利用數(shù)字加、乘以常數(shù)及延時等運成；數(shù)字濾波系統(tǒng)只需利用數(shù)字加、乘以常數(shù)及延時等運 算，即可實現(xiàn)與模擬系統(tǒng)一樣的功能。算，即可實現(xiàn)與模擬系統(tǒng)一樣的功能。 數(shù)字信號處理教程 前置預 濾波器 A/D 變換器 數(shù)字信號 處理器 D/A 變換器 模擬 濾波器 模擬 xa(t) PrF ADC DSPDACPoF 模擬 ya(t) x(n) y(n) 3. DSP過程（過程（P3） A/DDSP xa(t) x(n) y(n)ya(t) D/A 數(shù)字信號處理教程 將輸入信號將輸入信號xa(t)中高于某一頻率中高于

23、某一頻率(稱折疊稱折疊 頻率，等于抽樣頻率的一半頻率，等于抽樣頻率的一半)的分量加以的分量加以 濾除。濾除。 t xa(t) 0 數(shù)字信號處理教程 由模擬信號產(chǎn)生數(shù)字信號（一個二進制流）。其有兩個過程：由模擬信號產(chǎn)生數(shù)字信號（一個二進制流）。其有兩個過程： 抽樣和量化。 抽樣：每隔抽樣：每隔T秒秒(抽樣周期抽樣周期)取出一次取出一次xa(t)的幅度，此信號稱的幅度，此信號稱 為離散信號。它只表示時間點為離散信號。它只表示時間點 0 ， T , 2 T , n T , 上 的 值上 的 值 xa(0),xa(T),xa(2T),xa(nT).。 量化量化：在：在量化量化電路中將抽樣信號變換成數(shù)字

24、信號，因為一般電路中將抽樣信號變換成數(shù)字信號，因為一般 采用有限位二進制碼，所以它所表示的信號幅度就是有一定采用有限位二進制碼，所以它所表示的信號幅度就是有一定 限制的。限制的。 經(jīng)過經(jīng)過A/D變換器后，不但時間離散化了，幅度也量化了，這變換器后，不但時間離散化了，幅度也量化了，這 種信號稱為數(shù)字信號。用種信號稱為數(shù)字信號。用x(n)表示。表示。 數(shù)字信號處理教程 按照預定要求，在處理器中將信號序列按照預定要求，在處理器中將信號序列x(n) 進行加工處理得到輸出信號進行加工處理得到輸出信號y(n). n y(n) 數(shù)字信號處理教程 經(jīng)過經(jīng)過D/A變換器，將數(shù)字信號序列反過來變換器，將數(shù)字信號序

25、列反過來 變換成模擬信號，這些信號在時間點變換成模擬信號，這些信號在時間點 0,T,2TnT,上的幅度應等于序列上的幅度應等于序列y(n)中中 相應數(shù)碼所代表的數(shù)值大小。相應數(shù)碼所代表的數(shù)值大小。 即由一個二進制流產(chǎn)生一個階梯波形，是即由一個二進制流產(chǎn)生一個階梯波形，是 形成模擬信號的第一步。形成模擬信號的第一步。 數(shù)字信號處理教程 把階梯波形平滑成預期的模擬信號。把階梯波形平滑成預期的模擬信號。 以濾除掉不需要的高頻分量，生成所需的以濾除掉不需要的高頻分量，生成所需的 模擬信號模擬信號ya(t). t ya(t) 數(shù)字信號處理教程 4. DSP系統(tǒng)的優(yōu)點（系統(tǒng)的優(yōu)點（P5-6） (1) 具有

26、高度的靈活性具有高度的靈活性 (2) 高穩(wěn)定性和高精度高穩(wěn)定性和高精度 (3) 便于大規(guī)模集成便于大規(guī)模集成 (4) 可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能（可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能（TDM） (5) 可以得到很高的性能指標可以得到很高的性能指標 缺點缺點 速度速度 價格價格 數(shù)字信號處理教程 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(nèi)，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。 數(shù)字信號處理教程 在模擬系統(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。而數(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

27、能采用數(shù)字系統(tǒng)。 數(shù)字信號處理教程 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。 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(chǎn)生雜散效應甚至振蕩等 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)。 高穩(wěn)定性 數(shù)字信號處理教程 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)，對電路參數(shù)要求不嚴，故產(chǎn)品成品 率高。 例：(尤其)在低頻信號：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）。 數(shù)字信號處理教程 利用DSP同時處理幾個通道的信號。 某一路信號的相鄰兩抽樣值之間存在很大的空隙時間， 因而在同步器的控制下，在此時間空隙中送入其他路 的信號，而各路信號則利用同一DSP，后者在同步器 的控制下，算完一路信號后，再算另一路信號，因而 處理器運算速度越高，能處理的信道數(shù)目也就越多。 多路器 DSP 分 路 器 同步 1 2 3 n 1 2 3 n 數(shù)字信號處理教程 例：對信號進行頻譜分析 模擬頻譜