0數(shù)字信號處理緒論

1、數(shù)字信號處理DSPDigital Signal Processing1緒 論隨著信息學(xué)科和計算機學(xué)科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。它的重要性日益在各個領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出來。是把信號用數(shù)字或符號表示的序列，通過計算機或通用(專用)信號處理設(shè)備，用數(shù)字的數(shù)值計算方法處理以達(dá)到提取有用信息便于應(yīng)用的目的。數(shù)字信號處理2數(shù)字信號處理方法濾波、變換、壓縮、增強、估計、識別等3 一、信號、系統(tǒng)和信號處理 1信號的定義 信號是信息的物理表現(xiàn)形式，或說是傳遞信息的函數(shù)，而信息則是信號的具體內(nèi)容。 例如，交通紅綠燈是信號，它傳遞的信息是；紅停止，綠通行。 根據(jù)裁體的不同，信號可以是電的、磁的、聲的、光

2、的、機械的、熱的等各種信號。4從不同角度分類電信號 （1）、一維信號、二維信號、矢量信號 信號的變量可以是時間，也可以是領(lǐng)串、空間或其他的物理量。 若信號是一個變量(例如時間)的函數(shù)，則稱為一維信號； 若信號是兩個變量(例如空間坐標(biāo)x，y)的函數(shù)，則稱為二維信號；推而廣之，若信號是多個(例如M個， M 2)變量的函數(shù)，則稱為多維(M維)信號。5M維信號的表示表示成M維的矢量 (式中 為轉(zhuǎn)置，n為時間變量)，則稱它是一個M維的矢量信號。 我們僅討論一維信號。6(2)周期信號和非周期信號若信號滿足其中： T，N皆為正整數(shù)；它們都是周期信號，周期分別為T和N；否則就是非周期信號。7(3)確定信號和隨

3、機信號若信號在任意時刻的取值能精確確定，則稱它為確定信號.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，則稱為隨機信號。8(4)能量信號和功率信號若信號能量E有限，則稱為能量信號.非周期信號的絕對可積（和）信號一定是能量信號。9若信號功率P有限，則稱為功率信號 周期信號及隨機信號一定是功率信號10(5)連續(xù)時間信號、離散時間信號和數(shù)字信號若變量(一般都看成時間)是連續(xù)的，則稱為連續(xù)時間信號；若變量是離散數(shù)值則稱為離散時間信號。變量的取值方式有連續(xù)與離散兩種信號幅值的取值方式又分為連續(xù)與離散兩種方式(幅值的離散稱之為量化).11信號變量的取值與幅值的取值組合方式連續(xù)時間信號：時間是連續(xù)的

4、，幅值可以是連續(xù)的也可以是離散(量化)的。模擬信號；時間是連續(xù)的，幅值是連續(xù)的，這是上一種信號的待例。離散時間信號(或稱序列)：時間是離散的，幅值是連續(xù)的。數(shù)字信號：時間是離散的，幅值是量化的。由于幅值是量化的，故數(shù)字信號可用一序列的數(shù)來表示，而每個數(shù)又可表示為二進(jìn)制碼的形式。122、系統(tǒng) 定義： 處理(或變換)信號的物理設(shè)備?；蛘哌M(jìn)一步說，凡是能將信號加以變換以達(dá)到人們要求的各種設(shè)備都稱為系統(tǒng)。分類：系統(tǒng)有大小之分，一個大系統(tǒng)中又可細(xì)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。13按所處理信號種類對系統(tǒng)分類(1)、模擬系統(tǒng)：處理

5、模擬信號，系統(tǒng)輸入、輸出均為連續(xù)時間連續(xù)幅度的模擬信號。 (4)、數(shù)字系統(tǒng)：處理數(shù)字信號，系統(tǒng)輸人、輸出均為數(shù)字信號。(3)、離散時間系統(tǒng)：處理離散時間信號序列、系統(tǒng)輸入、輸出均為離散時間信號。 (2)、連續(xù)時間系統(tǒng)：處理連續(xù)時間信號，系統(tǒng)輸入、輸出均為連續(xù)時間信號。14系統(tǒng)可分為線性的或非線性的。系統(tǒng)可分為時(移)不變或時(移)變的。15 3信號處理信號處理：是研究用系統(tǒng)對含有信息的信號進(jìn)行處理(變換)，以獲得人們所希望的信號，從而達(dá)到提取信息、便于利用的目的。信號處理的內(nèi)容包括濾波、變換、檢測、語分拆、估計、壓縮、識別等一系列的加工處理。16模擬信號與數(shù)字信號處理得比較 模擬信號處理難以做

6、到高精度，受環(huán)境影響較大，可靠性差，且不靈活等。注意：數(shù)字信號處理不可能完全取代模擬信號處理，只能說各有優(yōu)缺點，可互相補充，取長補短。隨著大規(guī)模集成電路與數(shù)字計算機的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理理論和技術(shù)的成熟和完善，用數(shù)字方法來處理信號，即數(shù)字信號處理，在許多方面有逐漸取代模擬信號處理的趨勢。17二、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成前置預(yù)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y(n)y(t)18-30123435474nT2T-1y(n)01234n數(shù)字信號處理器：190y(t)D/A變換器： 模擬濾波器：圖2 數(shù)字信號處理過程的波形圖20數(shù)字信號處理系統(tǒng)的組成部分前置濾波A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字

7、信號處理器D/A轉(zhuǎn)換低通濾波21注意！實際的系統(tǒng)并不一定要包括它的所有框圖。數(shù)字直接輸出：就可去掉D/A、濾波數(shù)字直接輸入：就可去掉A/D、濾波純數(shù)字系統(tǒng)，僅需要數(shù)字信號處理器。22DSP芯片專用DSP芯片通用DSP芯片專用DSP芯片橫向濾波器用的NMOS公司的A100，PLESSY GEC公司PDSPl6256，F(xiàn)FT的PLESSY GEC公司的PDSPl 6510。Austek公司的A41102；23通用DSP芯片TI公司：TMS320ClXC2xC2XX C54xC62x系列定點芯片 TMS320C3xC4XC8xC67x系列浮點芯片.AD公司：ADSP2lXX定點制芯片. ADSP21

8、0202106X21160浮點制芯片AT&T公司：DSP32C3210、DSP96002浮點芯片.目前我國用得最多的是TI公司和AD公司產(chǎn)品，特別是TMS320系列。24三、數(shù)字信號處理學(xué)科內(nèi)容 (1)、離散時間線性時不變系統(tǒng)分析。 (2)、離散時間信號時域及領(lǐng)域分析、離散傅里 葉變換(DFT)理論。 (3)、信號的采集。包括AD，DA技術(shù)抽樣，多率抽樣，量化噪聲理論等。 (4)、數(shù)字濾波技術(shù)。 (5)、譜分析與快速傅里葉變換(FFT)，快速卷積與相關(guān)算法。(1)，(2)，(3) 是數(shù)字信號處理的基本部分。本課程著重討論這5點內(nèi)容。25后續(xù)選修課或研究生課討論的內(nèi)容(1)、自適應(yīng)信號處理。(2

9、)、估計理論包括功率譜估計及相關(guān)函數(shù)估計等。(3)、信號壓縮，包括語音信號與圖信號的壓縮。(4)、信號的建模，包括AR，MA，ARMA、CAPONPRONY等各種模型。(5)、其他特殊算法(同態(tài)處理、抽取與內(nèi)插、信號重建等)。(6)、數(shù)字信號處理的實現(xiàn)。(7)、數(shù)字信號處理的應(yīng)用。26四、數(shù)字信號處理的特點 精度高：模擬網(wǎng)絡(luò)的精度由元器件決定模擬元器件的精度很難達(dá)到10-3以上，而數(shù)字系統(tǒng)只要14位字長就可達(dá)到10-4的精度。在高精度系統(tǒng)中，有時只能采用數(shù)字系統(tǒng)。數(shù)字信號可無損地存儲在磁盤或光盤上，因而可隨時傳送，可在遠(yuǎn)端脫機處理。數(shù)字信號時間可例置、壓縮或擴張?zhí)幚怼＿€可以進(jìn)行同態(tài)處理(模擬系

10、統(tǒng)則不能)。27 (2)、靈活性高數(shù)字系統(tǒng)的性能主要由乘法器的系數(shù)決定而系數(shù)是存放在系數(shù)存儲器中的，因而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。 由于工藝水平的提高，集成度越來越高，而且可運用的頻率也越來越高。28(3)、可靠性強數(shù)字系統(tǒng)只有兩個信號電平“0”和“1”，因而受周圍環(huán)境的溫度及噪聲的影響較小。而模擬系統(tǒng)的各元器件都有一定的溫度系數(shù)，且電乎是連續(xù)變化的，易受溫度、噪聲、電磁感應(yīng)等的影響。數(shù)字系統(tǒng)如采用大規(guī)模集成電路，其可靠性就更高。29(4)、容易大規(guī)模集成由于數(shù)字部件具有高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成、大規(guī)模生產(chǎn)，而對電路參數(shù)要求不嚴(yán)，故產(chǎn)品成品率高。尤其是對于

11、低頻信號： 例如，地震波分析需要過濾幾赫茲到幾十赫茲信號，用模擬網(wǎng)絡(luò)處理時，電感器、電容器的數(shù)值、體積和重量都非常大，性能也不能達(dá)到要求，而數(shù)字信號處理系統(tǒng)在這個頻率卻非常優(yōu)越。30(5)、時分復(fù)用 時分復(fù)用就是利用數(shù)字信號處理器同時處理幾個通道的信號，其系統(tǒng)的方框圖見圖2。由于某一路信號的相鄰兩抽樣值之間存在著很大的空隙時間，因而可在同步器的控制下，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個信號處理器，后者在同步器的控制下，算完一路信號后再算另一路信號。3132數(shù)字信號處理器同步多路開關(guān)多路開關(guān)輸出輸入. 處理器的運算速度越高，能處理的信道數(shù)目也就越多。圖3 時分多路復(fù)用數(shù)字信號

12、處理系統(tǒng)的方框圖33(6)、可獲得高性能指標(biāo)例如對信號進(jìn)行頻譜分析，模擬額譜儀在頻率低端只能分析到10Hz以上的頻率，且難以做到高分辨率(足夠窄的帶寬)；但在數(shù)字譜分析中，已能做到10-3Hz的譜分析。又如，有限長沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器可實現(xiàn)淮確的線性相位特性，這在模擬系統(tǒng)中是很難達(dá)到的。34(7)、二維與多維處理利用龐大的存儲單元可以存儲一幀或數(shù)幀圖像信號，實現(xiàn)二維甚至多維信號的處理，包括二維或多維濾波、二維或多維譜分析等。由于數(shù)字信號處理的突出優(yōu)點，使得它在通信、語音、雷達(dá)、地震測報、聲吶、遙感、生物醫(yī)學(xué)、電視、儀器中得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。35 五、數(shù)字信號處理的應(yīng)用 (1)濾波與變換： (2)通信 (3)語音、語言 (4)圖像、圖形 (5)消費電子 (6)儀器 (7)工業(yè)控制與自動化 (8)醫(yī)療 (9)軍事36六、數(shù)字信號處理的發(fā)展方向 (1)、數(shù)字匯聚即信號處理、通信和計算機的融合，其中數(shù)字信號處理是一種鉆合刑，它把通倍產(chǎn)業(yè)、消費類電子產(chǎn)業(yè)以及計算機產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合在一起。 (2