數(shù)字信號(hào)處理DSP及應(yīng)用概論

會(huì)計(jì)學(xué)1數(shù)字信號(hào)處理DSP及應(yīng)用概論1.1

數(shù)字信號(hào)處理概論數(shù)字信號(hào)處理（DSP，digitalsignalprocessing）是從20世紀(jì)6O年代以來，隨著信息學(xué)科和計(jì)算機(jī)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(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出來。

簡(jiǎn)言之，數(shù)字信號(hào)處理是把信號(hào)用數(shù)字或符號(hào)表示的序列，通過計(jì)算機(jī)或通用（專用）信號(hào)處理設(shè)備，用數(shù)字的數(shù)值計(jì)算方法處理（例如濾波、變換、壓縮、增強(qiáng)、估計(jì)、識(shí)別等），以達(dá)到提取有用信息便于應(yīng)用的目的。

第1頁/共17頁1.2信號(hào)、系統(tǒng)和信號(hào)處理1）信號(hào)：

信號(hào)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(hào)的具體內(nèi)容。例如，交通紅綠燈是信號(hào)，它傳遞的信息是：紅——停止，綠——通行。根據(jù)載體的不同，信號(hào)可以是電的、磁的、聲的、光的、機(jī)械的、熱的等各種信號(hào)。

第2頁/共17頁數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及應(yīng)用----概論2）一維信號(hào)、二維信號(hào)、矢量信號(hào)：

信號(hào)的變量可以是時(shí)間，也可以是頻率、空間或其他的物理量。若信號(hào)是一個(gè)變量（例如時(shí)間）的函數(shù)，則稱為一維信號(hào)；如圖1.“away”語音；2.“ooo”語音；3.虎鯨4.256hz聲音；5.腦電圖；6.風(fēng)。第3頁/共17頁數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及應(yīng)用----概論若信號(hào)是兩個(gè)變量（例如空間坐標(biāo)x，y）的函數(shù)，則稱為二維信號(hào)；若信號(hào)是多個(gè)（例如M個(gè)，M＞2）變量的函數(shù)，則稱為多維（M維）信號(hào)。第4頁/共17頁數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及應(yīng)用----概論

（2）周期信號(hào)和非周期信號(hào)：若信號(hào)滿足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(hào)，周期分別為T和N；否則就是非周期信號(hào)。

第5頁/共17頁數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及應(yīng)用----概論（3）確定信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)：若信號(hào)在任意時(shí)刻的取值能精確確定，則稱它為確定信號(hào)；若信號(hào)在任意時(shí)刻的取值不能精確確定，或說取值是隨機(jī)的，則稱為隨機(jī)信號(hào)。

第6頁/共17頁數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及應(yīng)用----概論（5）連續(xù)時(shí)間信號(hào)、離散時(shí)間信號(hào)和數(shù)字信號(hào)：變量的取值方式有連續(xù)與離散兩種。若變量（一般都看成時(shí)間）是連續(xù)的，則稱為連續(xù)時(shí)間信號(hào)；若變量是離散數(shù)值，則稱為離散時(shí)間信號(hào)。信號(hào)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），因此，組合起來應(yīng)該有以下四種情況：

①連續(xù)時(shí)間信號(hào)：時(shí)間是連續(xù)的，幅值可以是連續(xù)的也可以是離散（量化）的。

②模擬信號(hào)：時(shí)間是連續(xù)的，幅值是連續(xù)的，這是上一種信號(hào)的特例。

③離散時(shí)間信號(hào)（或稱序列）：時(shí)間是離散的，幅值是連續(xù)的。

④數(shù)字信號(hào)：時(shí)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(hào)可用一序列的數(shù)來表示，而每個(gè)數(shù)又可表示為二進(jìn)制碼的形式。

第7頁/共17頁數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及應(yīng)用----概論3．信號(hào)處理

信號(hào)處理是研究用系統(tǒng)對(duì)含有信息的信號(hào)進(jìn)行處理（變換），以獲得人們所希望的信號(hào)，從而達(dá)到提取信息、便于利用的一門學(xué)科。信號(hào)處理的內(nèi)容包括濾波、變換、檢測(cè)、譜分析、估計(jì)、壓縮、識(shí)別等一系列的加工處理。

隨著大規(guī)模集成電路以及數(shù)字計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，加之從60年代未以來數(shù)字信號(hào)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(hào)，即數(shù)字信號(hào)處理，己逐漸取代模擬信號(hào)處理。

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三、數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科概貌

自從1965年庫利（Cooley）和圖基（Tukey）在《計(jì)算數(shù)學(xué)》（《MathematicsofComputation》上發(fā)表了“用機(jī)器計(jì)算復(fù)序列傅里葉級(jí)數(shù)的一種算法”即“快速傅里葉變換算法”以來，數(shù)字信號(hào)處理這一學(xué)科蓬勃發(fā)展，逐漸形成了一整套較為完整的學(xué)科領(lǐng)域和理論體系。第9頁/共17頁數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及應(yīng)用----概論

數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科包含有：

（1）離散時(shí)間線性時(shí)不變系統(tǒng)分析。

（2）離散時(shí)間信號(hào)時(shí)域及頻域分析、離散傅里葉變換（DFT）理論。

（3）信號(hào)的采集。包括A／D，D／A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)。

（2）譜分析與快速傅里葉變換（FFT），快速卷積與相關(guān)算法。

（6）自適應(yīng)信號(hào)處理。

（7）估計(jì)理論，包括功率譜估計(jì)及相關(guān)函數(shù)估計(jì)等。

（8）信號(hào)的壓縮，包括語音信號(hào)與圖信號(hào)的壓縮。

（9）信號(hào)的建模，包括AR，MA，ARMA，CAPON，PRONY等各種模型。

（10）其他特殊算法（同態(tài)處理、抽取與內(nèi)插、信號(hào)重建等）。

（11）數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)。

（12）數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用。第10頁/共17頁數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及應(yīng)用----概論

四、數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)

數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)具有以下一些明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）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(zhǎng)就可達(dá)到10-4的精度。在高精度系統(tǒng)中，有時(shí)只能采用數(shù)字系統(tǒng)。（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(chǔ)器中的，因而只需改變存儲(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。（3）可靠性強(qiáng)：因?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)只有兩個(gè)信號(hào)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)，且電平是連續(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。（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)，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，

第11頁/共17頁數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及應(yīng)用----概論（5）時(shí)分復(fù)用：時(shí)分復(fù)用就是利用數(shù)字信號(hào)處理器同時(shí)處理幾個(gè)通道的信號(hào)，其系統(tǒng)的方框圖見圖皿。由于某一路信號(hào)的相鄰兩抽樣值之間存在著很大的空隙時(shí)間，因而可在同步器的控制下，在此時(shí)間空隙中送人其他路的信號(hào)，而各路信號(hào)則利用同一個(gè)信號(hào)處理器，后者在同步器的控制下，算完一路信號(hào)后再算另一路信號(hào)。處理器的運(yùn)算速度越高，能處理的信道數(shù)目也就越多。

（6）可獲得高性能指標(biāo)：例如對(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(zhǎng)沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器可實(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。（7）維與多維處理：利用龐大的存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)一幀或數(shù)幀圖像信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二維甚至多維信號(hào)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(hào)處理的突出優(yōu)點(diǎn)，使得它在通信、語音、雷達(dá)、地震測(cè)報(bào)、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。

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五、數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用

（1）濾波與變換：包括數(shù)字濾波／卷積、相關(guān)、快速傅里葉變換（FFT）、希爾伯特（Hilbert）變換、自適應(yīng)濾波、加窗法等。

（2）通信：包括自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制、自適應(yīng)脈碼調(diào)制、脈碼調(diào)制、差分脈碼調(diào)制、增量調(diào)制、自適應(yīng)均衡、糾錯(cuò)、數(shù)字公用交換、信道復(fù)用、移動(dòng)電話、調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)或數(shù)字信號(hào)的加密、破譯密碼、擴(kuò)頻技術(shù)、通信制式的轉(zhuǎn)換、衛(wèi)星通信、TDMA／FDMA／CDMA等

各種通信制式、回波對(duì)消、IP電話、軟件無線電等。

（3）語音、語言：包括語音郵件、語音聲碼器、語音壓縮、數(shù)字錄音系統(tǒng)、語音識(shí)別、語音合成、語音增強(qiáng)、文本語音變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

（4）圖像、圖形：包括囪像壓縮、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像重建、圖像變換、圖像分割與描繪、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、固態(tài)處理、電子地圖、電子出版、動(dòng)畫等。

第13頁/共17頁數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及應(yīng)用----概論（5）消費(fèi)電子：包括數(shù)字音頻、數(shù)字電視、音樂綜合器、電子玩具和游戲、CD／VCD／DVD播放機(jī)、數(shù)字留言／應(yīng)答機(jī)、汽車電子裝置等。（6）儀器：包括頻譜分析儀、函數(shù)發(fā)生器、地震信號(hào)處理器、瞬態(tài)分析儀、鎖相環(huán)、模式匹配等。（7）工業(yè)控制與自動(dòng)化，包括機(jī)器人控制、激光打印機(jī)控制、伺服控制。自動(dòng)機(jī)、電力線監(jiān)示器、計(jì)算機(jī)輔助制造、引擎控制、自適應(yīng)駕駛控制等。（8）醫(yī)療：包括健康助理、病人監(jiān)視、超聲儀器、診斷工具、CT掃描、核磁共振、助聽器等。（9）軍事：包括雷達(dá)處理、聲吶處理、導(dǎo)航、射頻調(diào)制解調(diào)器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、偵察衛(wèi)星、航空航天測(cè)試、自適應(yīng)波束形成、陣列天線信號(hào)處理等。第14頁/共17頁1．6數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法（1）在通用的微型計(jì)算機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件可以是自己編寫的，也可使用現(xiàn)成的軟件包。這種方法的缺點(diǎn)是速度太慢，不能用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，只能用于教學(xué)與仿真研究。如近年發(fā)展迅速的MATLAB，就幾乎可以實(shí)現(xiàn)所有數(shù)字信號(hào)處理的仿真。而且MATLAB下的部分仿真程序還可以轉(zhuǎn)化為C語言，再通過DSP的C編譯器直接在DSP硬件上運(yùn)行。這對(duì)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說是很有吸引力的。（2）用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)一直在不斷地發(fā)展，如Iniei96000的運(yùn)算速度就非?？捎^，而且單片機(jī)的接口性能比較好，容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。但由于單片機(jī)采用的是馮·諾依曼總線結(jié)構(gòu)，所以單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，尤其是乘法運(yùn)算速度慢，在運(yùn)算量大的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中很難有所作為。（3）利用專門用于信號(hào)處理的可編程DSP芯片來實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)相比，DSP有著更適合于數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)。如采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有硬件乘法器和累加器，使用流水線結(jié)構(gòu)，具有良好的并行特性，并有專門設(shè)計(jì)的適于數(shù)字信號(hào)處理的指令系統(tǒng)等。DSP芯片的這些特點(diǎn)對(duì)不允許延遲的實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域，如蜂窩電話、計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)器等非常理想。閨此，可以說，DSP芯片的問世及飛速發(fā)展，為信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)際提供了可能。數(shù)字信號(hào)處理（DSP）及應(yīng)用----概論第15頁/共17頁（4）利用特殊用途的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在國際上已推出了不少專門用于FFT、FIR濾波、卷積等的專用芯片，如TDeI028可以實(shí)現(xiàn)FIR濾波器和相關(guān)運(yùn)算。美國INMOS公司推出的IMSAI00芯片，可以完成FIR、FFT、相關(guān)、卷積等運(yùn)算，可以在2ms內(nèi)完成1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算。（5）用FPGA等可編程陣列產(chǎn)品開發(fā)ASIC芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法。由于FPGA產(chǎn)品的發(fā)展，人們可以利用Altera（Altera公司的FPGA產(chǎn)品為FLEX6000，F(xiàn)LEX8000以及F1，EXI0K，我們習(xí)慣上把它們稱