數字信號處理緒論課件

1、數 字 信 號 處 理Digital Signal Processing緒 論數 字 信 號 處 理Digital Signal Proc從模擬到數字1、留聲機誕生于年。它的發(fā)明人就是譽滿全球的發(fā)明大王愛迪生。2、模擬系統(tǒng)經歷了一個世紀的歷程。留聲機電唱機鋼絲錄音機磁帶錄音機3、 年問世的CD唱盤，是數字技術取代模擬技術的典型產品。 CD唱盤只用了年就淘汰了唱片。從模擬到數字1、留聲機誕生于年。它的發(fā)明人就是譽滿全從模擬到數字形形色色的數字化信息系統(tǒng)從模擬到數字形形色色的數字化信息系統(tǒng)從模擬到數字從模擬到數字一、信號的分類和特征信號：信號傳遞信息的函數也是獨立變量的函數，這個變量可以是時間、空

2、間位置等。連續(xù)信號：在某個時間區(qū)間，除有限間斷點外所有瞬時均有確定值。模擬信號是連續(xù)信號的特例。時間和幅度均連續(xù)。離散信號：時間上不連續(xù)，幅度連續(xù)。數字信號：幅度量化，時間和幅度均不連續(xù)。信號可以由單個信號源產生，也可以由多個信號源產生。前者是一標量信號(Scalar signal)，而后者是一向量信號通常也稱作多通道信號(Multichannel signal)，例如，立體聲信號是一種雙通道信號。一、信號的分類和特征信號：信號傳遞信息的函數也是獨立變量的函數字信號處理采用數字系統(tǒng)完成信號處理的任務，它具有數字系統(tǒng)的一些共同優(yōu)點，例如抗干擾、可靠性強，便于大規(guī)模集成等。除此而外，與傳統(tǒng)的模擬信

3、號處理方法相比較，它還具有以下一些明顯的優(yōu)點：二、為什么要采用數字信號處理數字信號處理采用數字系統(tǒng)完成信號處理的任務，它具有數字系統(tǒng)的1、精度高在模擬系統(tǒng)的電路中，元器件精度要達到以上已經不容易了，而數字系統(tǒng)17位字長可以達到的精度，這是很平常的。例如，基于離散傅里葉變換的數字式頻譜分析儀，其幅值精度和頻率分辨率均遠遠高于模擬頻譜分析儀。1、精度高在模擬系統(tǒng)的電路中，元器件精度要達到以上已數字信號處理采用了專用或通用的數字系統(tǒng)，其性能取決于運算程序和乘法器的各系數，這些均存儲在數字系統(tǒng)中，只要改變運算程序或系數，即可改變系統(tǒng)的特性參數，比改變模擬系統(tǒng)方便得多。2、靈活性強數字信號處理采用了專用

4、或通用的數字系統(tǒng)，其性能取決于運算程序例如：有限長單位脈沖響應數字濾波器可以實現(xiàn)嚴格的線性相位；在數字信號處理中可以將信號存儲起來，用延遲的方法實現(xiàn)非因果系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)的性能指標；數據壓縮方法可以大大地減少信息傳輸中的信道容量。3、可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達到的指標或特性例如：3、可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達到的指標或特性利用龐大的存儲單元，可以存儲二維的圖像信號或多維的陣列信號，實現(xiàn)二維或多維的濾波及譜分析等。4、可以實現(xiàn)多維信號處理利用龐大的存儲單元，可以存儲二維的圖像信號或多維的陣列信號，（1）增加了系統(tǒng)的復雜性。他需要模擬接口以及比較復雜的數字系統(tǒng)。（2）應用的頻率范圍受到限制。主要是A/

5、D轉換的采樣頻率的限制。（3）系統(tǒng)的功率消耗比較大。數字信號處理系統(tǒng)中集成了幾十萬甚至更多的晶體管，而模擬信號處理系統(tǒng)中大量使用的是電阻、電容、電感等無源器件，隨著系統(tǒng)的復雜性增加這一矛盾會更加突出。 5、缺點（1）增加了系統(tǒng)的復雜性。他需要模擬接口以及比較復雜的數字系三、發(fā)展與應用1946年 賓夕法尼亞大學發(fā)明了第一代電子管計算機1957年 飛歌公司制造出第二代晶體管計算機1964年 IBM公司制造出第三代集成電路計算機1971年 Intel公司制造出第四代微型計算機微處理器1975年 第一臺PC機1979年 蘋果機問世1982年 IBMPC三、發(fā)展與應用1946年 賓夕法尼亞大學發(fā)明了第一

6、代電子管年代發(fā)展規(guī)模1971 年第一塊微處理器4004，大約3000個晶體管1974 年8 位微處理器8080，大約9000個晶體管1978 年16 位微處理器8086，大約5 萬個晶體管1986 年32 位微處理器80386，50 萬個晶體管1989 年微處理器80386，120萬個晶體管1993 年INTEL高性能Pentium微處理器，310 萬個晶體管，包括MMX指令集1997 年INTEL Pentium II微處理器，750 萬個晶體管1999 年INTEL Pentium III微處理器，2400 萬個晶體管，包括SSE 指令集2000 年INTEL Pentium 4 微處理器

7、，4200 萬個晶體管，包括SSE2指令集2003 年第一塊64 位微處理器AMD Athlon 64，大約10600萬個晶體管2006 年INTEL Core 2 Duo雙核微處理器，大約29100萬個晶體管，包括改進SSE3指令集年代發(fā)展規(guī)模1971 年第一塊微處理器4004，大約3000年代 特點 $/MIPS60年代 大學探索 $100-$1,00070年代 軍事運用 $10-$10080年代 商用成功 $1-$1090年代 消費類電子 $0.1-$121世紀 能源、居家 $0.01以下三、發(fā)展與運用年代 特點 $/上個世紀60年代計算機每秒可以完成百萬次操作，而1024點的DFT就需

8、要百萬次的復數乘法運算。上個世紀80年代用Apple II計算機用雷米茲交替算法設計一256階的FIR濾波器需要20多小時。上個世紀90年代已經可以實時地在PC機上實現(xiàn)音視頻的編解碼。三、發(fā)展與運用上個世紀60年代計算機每秒可以完成百萬次操作，而1024點的三、發(fā)展與運用(1)由簡單的運算走向復雜的運算，目前幾十位乘幾十位的全并行乘法器可以在數個納秒的時間內完成一次浮點乘法運算，這無論在運算速度上和運算精度上均為復雜的數字信號處理算法提供了先決條件；三、發(fā)展與運用(1)由簡單的運算走向復雜的運算，目前幾十位乘(2)由低頻走向高頻，模數轉換器的采樣頻率已高達數百兆赫，可以將視頻甚至更高頻率的信號

9、數字化后送入計算機處理；(2)由低頻走向高頻，模數轉換器的采樣頻率已高達數百兆赫，可(3)由一維走向多維，像高分辨率彩色電視、雷達、石油勘探等多維信號處理的應用領域已與數字信號處理結下了不解之緣。(3)由一維走向多維，像高分辨率彩色電視、雷達、石油勘探等多（4）各種數字信號處理系統(tǒng)均幾經更新?lián)Q代在圖像處理方面，圖像數據壓縮是多媒體通信、影碟機(VCD或DVD)和高清晰度電視(HDTV)的關鍵技術。國際上先后制定的標準H.261、JPEG、MPEG1和MPEG2中均使用了離散余弦變換(DCT)算法。近年來發(fā)展起來的小波(Wavelet)變換也是一種具有高壓縮比和快速運算特點的嶄新壓縮技術，應用前

10、景十分廣闊，可望成為新一代壓縮技術的標準。（4）各種數字信號處理系統(tǒng)均幾經更新?lián)Q代在圖像處理方面，圖像在機械制造中，基于 FFT算法的頻譜分析儀用于振動分析和機械故障診斷；醫(yī)學中使用數字信號處理技術對心電(ECG)和腦電(EEG)等生物電信號作分析和處理；數字音頻廣播(DAB)廣泛地使用了數字信號處理技術?？梢哉f，數字信號處理技術已在信息處理領域引起了廣泛的關注和高度的重視。數字信號處理不斷開辟新的應用領域在機械制造中，基于 FFT算法的頻譜分析儀用于振動分析和機械數字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)軟件實現(xiàn)硬件實現(xiàn)片上系統(tǒng)（SOC, System on a Chip）數字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)軟件實現(xiàn)軟件實現(xiàn)

11、是用一臺通用的數字計算機運行數字信號處理程序。其優(yōu)點是經濟，一機可以多用；缺點是處理速度慢，這是由于通用數字計算機的體系結構并不是為某一種特定算法而設計的。在許多非實時的應用場合，可以采用軟件實現(xiàn)方法。例如，處理一盤混有噪聲的錄像(音)帶，我們可以將圖像(聲音)信號轉換成數字信號并存入計算機，用較長的時間一幀幀地處理這些數據。處理完畢后，再實時地將處理結果還原成一盤清晰的錄像(音)帶。通用計算機即可完成上述任務，而不必花費較大的代價去設計一臺專用數字計算機。數字信號處理的軟件實現(xiàn)軟件實現(xiàn)是用一臺通用的數字計算機運行數字信號處理程序。其優(yōu)硬件實現(xiàn)是針對特定的應用目標，經優(yōu)化，設計一專用的軟硬件系

12、統(tǒng)。其優(yōu)點是容易做到實時處理，缺點是設備只能專用。數字信號處理的硬件實現(xiàn)硬件實現(xiàn)是針對特定的應用目標，經優(yōu)化，設計一專用的軟硬件系統(tǒng)片上系統(tǒng)（SOC, System on a Chip）隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，一個復雜數字信號處理系統(tǒng)已可以集成在一個芯片上。SOC包含有數字和模擬電路、模擬和數字轉換電路、微處理器、微控制器以及數字信號處理器等。與傳統(tǒng)的集成電路不同的是，嵌入式軟件的設計也被集成到了SOC的設計流程中，SOC的設計方法將以組裝為基礎，采用自上至下的設計方法，在設計過程中大量重復使用自行設計或其他第三方擁有知識產權的IP(Intelligent Property)模塊。SOC要充

13、分考慮如何合理劃分軟件和硬件所實現(xiàn)的系統(tǒng)功能以及如何實現(xiàn)軟、硬件之間的信息傳遞。SOC將是數字信號處理系統(tǒng)的一個新型的實現(xiàn)方法。 片上系統(tǒng)（SOC, System on a Chip）隨著大并行是指為了完成同一個任務，幾個處理器同時工作，使系統(tǒng)能勝任單個處理器所不能完成的任務；當一個處理器完成單個任務(比如一個濾波器)有很大的富余量時，可讓其完成多個任務，這就是復用；流水結構也是多處理器完成同一任務，它與并行結構的主要區(qū)別在于并行的各個處理器之間數據交換不多，而流水結構類似于生產中的流水線，數據經一道道“工序”處理。采用并行或流水結構，完全取決于數字信號處理的運算結構。并行、復用和流水并行是指

14、為了完成同一個任務，幾個處理器同時工作，使系統(tǒng)能勝任數字信號處理系統(tǒng)簡介采樣器A/D數字信號處理器D/A平滑濾波器001000010011100101110111數字信號處理系統(tǒng)簡介采樣器A/D數字信號處理器D/A平滑00001000010011100101110111001000010011100101110111四、本書的內容 經典的數字信號處理限于線性時不變系統(tǒng)理論, 數字濾波和FFT是常用方法。隨機信號處理:基于平穩(wěn)高斯隨機信號目前DSP研究熱點： 時變非線性系統(tǒng)、非平穩(wěn)信號、 非高斯信號處理方法的發(fā)展：自適應濾波、 離散小波變換、 高階矩分析、盲處理、分形、混沌理論四、本書的內容 經典的數字