《數(shù)字信號(hào)處理題解及電子課件》第0章-緒論

歡迎并感謝您使用《數(shù)字信號(hào)處理－理論、算法與實(shí)現(xiàn)》

或

《數(shù)字信號(hào)處理導(dǎo)論》

及本電子課件

關(guān)于“數(shù)字信號(hào)處理”

概論

信號(hào)

數(shù)字信號(hào)

數(shù)字信號(hào)處理一、

數(shù)字信號(hào)處理的任務(wù)二、

數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)三、數(shù)字信號(hào)處理的理論四、數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)五、

數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用六、關(guān)于數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)習(xí)關(guān)于數(shù)字信號(hào)處理什么是DSP?DigitalSignalProcessing(DSP)

一門新的學(xué)科DigitalSignalProcessor(DSP)

數(shù)字信號(hào)處理器:DSPs一門正在蓬勃發(fā)展的高新 技術(shù)學(xué)科信號(hào)？數(shù)字信號(hào)？數(shù)字信號(hào)處理？

信號(hào)是信息（Information)的載體，即信息包含在信號(hào)中。

信號(hào)，特別是一維信號(hào)，多是時(shí)間的函數(shù)，即一.什么是DSP信號(hào)連續(xù)時(shí)間信號(hào)，又稱模擬信號(hào)（AnalogSignal)常見信號(hào)：

電壓，電流，磁通； 溫度，壓力，壓強(qiáng)； 光，機(jī)械振動(dòng)； 價(jià)格，經(jīng)濟(jì)指數(shù)，股市指數(shù)；流量，水位，潮位； 人體生理信號(hào)等等常見人體生理信號(hào)

（生物醫(yī)學(xué)信號(hào)）ECG(心電)EEG(腦電)EOG(眼電)EMG(肌電)PCG(心音)要求：準(zhǔn)確檢測(cè)R波，>99％準(zhǔn)確檢測(cè)P,Q,S,T等波， >90%

準(zhǔn)確測(cè)量P－Q間期，

QRS寬度，S-T段形態(tài)不同心臟病人的心電圖腦電信號(hào)胎兒心電信號(hào)腦電（EEG）的節(jié)律（即主要頻率）：節(jié)律：<4Hz的成分；節(jié)律：4Hz～8Hz的成分；節(jié)律：8Hz～13Hz的成分；節(jié)律：>13Hz的成分。（深睡）（淺睡）（清醒）（受刺激或思考）火車?guó)Q笛信號(hào)二維信號(hào)：視頻信號(hào)：

作用：將非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。轉(zhuǎn)化后的信號(hào)是連續(xù)時(shí)域模擬 （Analog)信號(hào),可以用表示。模擬信號(hào)產(chǎn)生、處理和傳輸所使用 的器件是:R,L,C,OP(運(yùn)算放大器)缺點(diǎn):體積大,精度低，不靈活

傳感器(sensor)數(shù)字信號(hào):所有整數(shù):抽樣間隔，：抽樣頻率(SamplingFrequency)歸一化：流程圖sensors放大器A/DDSP裝置信號(hào)源D/A例:A/D8bit5V000000000V0000000120mV0000001040mV29mV31mVA/D芯片已高度集成化，將這些芯片配以一些必要的外圍電路可做成不同的A/D板（又稱數(shù)據(jù)采集板）。將A/D板插入普通計(jì)算機(jī)（如PC）的擴(kuò)展槽中，配以相應(yīng)的軟件即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的抽樣。A/D芯片有兩個(gè)主要的參數(shù)，一是字長(zhǎng)，二是轉(zhuǎn)換速度。現(xiàn)在市售的A/D芯片的字長(zhǎng)有8bit，10bit，12bit及14bit，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，量化誤差越小，自然，轉(zhuǎn)換的精度就越高。轉(zhuǎn)換速度決定了其A/D芯片的最大抽樣速度，目前市售的A/D芯片的抽樣速度可由幾十千赫至幾百兆赫。當(dāng)然，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，速度越高，其售價(jià)也越貴，使用者應(yīng)視實(shí)際需要選用。

以PC或?qū)Ｓ肈SP裝置為硬件平臺(tái),以數(shù)值分析為基本工具,發(fā)展眾多的信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)信號(hào)自身的提取或是信號(hào)有用特征(幅度,周期,持續(xù)時(shí)間,過零點(diǎn)個(gè)數(shù),上升時(shí)間,下降時(shí)間,自相關(guān)函數(shù),功率譜)的提取,以達(dá)到認(rèn)識(shí)信號(hào),利用信號(hào)的目的。數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)：從信號(hào)中提取出所需要的信息，并將其用于 實(shí)際。一.數(shù)字信號(hào)處理的任務(wù)例：心電監(jiān)護(hù)儀：內(nèi)含CPU

用于危重病房（intensivecareunit，ICU）的心電自動(dòng)監(jiān)護(hù)儀的作用是監(jiān)護(hù)病人的心電狀態(tài)（同時(shí)也包括其他生理參數(shù)，如血壓、呼吸等），它應(yīng)能實(shí)時(shí)地顯示和存儲(chǔ)病人的心電波形，并根據(jù)心電圖的異常來自動(dòng)決定是否給出報(bào)警。一個(gè)實(shí)際的心電監(jiān)護(hù)儀由心電放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、CPU、顯示單元、存儲(chǔ)單元、系統(tǒng)管理軟件和心電信號(hào)處理軟件所組成。心電處理軟件的功能：（1）在CPU的控制下實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集、顯示和存儲(chǔ)；

（2）去除噪聲：在信號(hào)采集時(shí)，身體的任一微小運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生“基線漂移”，這是一種低頻干擾，同時(shí)，由于肌電的存在又產(chǎn)生了高頻的肌電噪聲，由于空間電磁場(chǎng)的存在又使心電信號(hào)中混有50Hz的工頻干擾。這些噪聲不去除，就會(huì)影響下一步的信號(hào)處理。

帶有高頻噪聲及病態(tài)失真的心電信號(hào)（3）波形檢測(cè)（參數(shù)提?。篟波檢測(cè)：要求>99％；

P波檢測(cè)，T波檢測(cè)：幅度特別低，>90％；

P-Q間期測(cè)量；S-T段形態(tài)檢測(cè)；

QRS寬度檢測(cè)

（4）病類判別：根據(jù)檢測(cè)出的參數(shù)、心臟疾病的原理和醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，建立起各種心律異常的數(shù)學(xué)模型并對(duì)心電信號(hào)做出判別，決定是否異常，如異常，又屬于哪一類異常。這一工作即是信號(hào)處理的應(yīng)用。以上內(nèi)容雖然屬于生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的范疇，但從中可以看出數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容和任務(wù)。其他學(xué)科的信號(hào)處理過程和該問題類似，即大體上也包含了去噪、特征檢測(cè)（或提?。┖蛻?yīng)用于實(shí)際這三個(gè)方面。

二.數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì):（1）.精度高（2）.可重復(fù)性強(qiáng)（3）.體積小（4）.成本低（5）.可編程：所以靈活性強(qiáng)（6）.實(shí)時(shí)性(Real-time)強(qiáng)數(shù)學(xué):微積分,線性代數(shù),概率,隨機(jī)過程,數(shù)論,近世代數(shù)現(xiàn)代通信原理、現(xiàn)代控制理論模式識(shí)別、最優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識(shí)、振動(dòng)測(cè)試生物醫(yī)學(xué)工程信號(hào)與系統(tǒng),計(jì)算機(jī)

三.數(shù)字信號(hào)處理的理論：基礎(chǔ)發(fā)展數(shù)字信號(hào)處理的理論非常豐富，且在不斷的飛速發(fā)展中，如：上個(gè)世紀(jì)的六十、七十年代

DFT，F(xiàn)FT，Z變換，Hilbert變換；離散系統(tǒng)分析理論；各種數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)理論；隨機(jī)信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析理論；上個(gè)世紀(jì)的八十年代：現(xiàn)代功率譜估計(jì)理論（AR，ARMA模型）；自適應(yīng)濾波理論；時(shí)頻聯(lián)合分析（Wigner分布，Cohen類分布；濾波器組理論；高階統(tǒng)計(jì)量理論；上個(gè)世紀(jì)的九十年代：

小波變換理論；獨(dú)立分量分析理論（ICA）這10年：Hilbert－Huang變換；

壓縮傳感（compressedsensing）理論，被譽(yù)為信號(hào)處理領(lǐng)域的“Nextabigidea”

數(shù)字信號(hào)處理的理論

大體上可以分為：（一）、經(jīng)典信號(hào)處理（二）、統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理（三）、現(xiàn)代信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)應(yīng)用

（一）.經(jīng)典信號(hào)處理:經(jīng)典數(shù)字信號(hào)處理主要

圍繞兩大部分內(nèi)容：

1.有關(guān)信號(hào)；

2.有關(guān)系統(tǒng)；

1.

有關(guān)信號(hào)（1）.信號(hào)的描述：函數(shù)式；曲線；（2）.特殊信號(hào)：沖激；階躍；斜坡；正弦，指數(shù)；（3）.信號(hào)的運(yùn)算：加；減；乘；卷積；變換；（4）.信號(hào)的分解：正交分解；（5）.信號(hào)的抽樣：抽樣定理；（6）.信號(hào)的重建：正交分解；

2、有關(guān)系統(tǒng)（1）.離散時(shí)間系統(tǒng)的描述；（2）.離散時(shí)間系統(tǒng)的屬性線性；移不變性；因果性；穩(wěn)定性（3）.離散時(shí)間系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系；（4）.離散時(shí)間系統(tǒng)的分析屬性判別？LP？HP?BP?BS?線性相位？（5）.離散時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)）IIRDFFIRDF

（二）.統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理:1.隨機(jī)信號(hào)的描述；3.估計(jì)問題；2.平穩(wěn)及各態(tài)遍歷信號(hào)均值；方差；自相關(guān)函數(shù)；功率譜自相關(guān)函數(shù)估計(jì)；功率譜估計(jì)（經(jīng)典，現(xiàn)代）4.最優(yōu)濾波；維納濾波器；線性預(yù)測(cè)；自適應(yīng)濾波器；卡爾曼濾波器(三).現(xiàn)代信號(hào)處理:

1.非平穩(wěn)信號(hào)的

聯(lián)合時(shí)頻分析；

3.小波變換；

2.多抽樣率信號(hào)處理；

4.HILBERT－HUANG變換；

5.獨(dú)立分量分析（ICA）；

6.壓縮傳感理論（CS）；Wigner分布Cohen類分布；信號(hào)抽取；信號(hào)插值；兩通道濾波器組；M通道濾波器組

（教學(xué),科研,開發(fā)的前期）DSP軟件包MATLABSignalProcessingToolBox四.數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn):硬件實(shí)現(xiàn):CPU,MCU,DSPTI產(chǎn)品系列

DSP的特點(diǎn):

時(shí)鐘快；硬件乘法器（實(shí)現(xiàn)連乘連加）；

哈佛結(jié)構(gòu)；較多的寄存器，等等

數(shù)字信號(hào)處理中最常用的算法是線性卷積和DFT,其特點(diǎn)是大量的“連乘連加”運(yùn)算，如：

五、數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用DSP的應(yīng)用耳背式耳道式耳內(nèi)式完全耳內(nèi)式心電Holter六.關(guān)于數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)習(xí)

作為一門課程，學(xué)好數(shù)字信號(hào)處理和學(xué)好其他課程有著共同的要求。下面是幾點(diǎn)特殊的要求：（1）特別要注意加深概念的理解，不要只停留在死記數(shù)學(xué)公式上；（2）通過應(yīng)用來加深理解和記憶；特別希望大家在學(xué)習(xí)的過程中一定要重視利 用MATLAB來