數(shù)字信號處理-課件 第1章 數(shù)字信號處理概述

*課程：數(shù)字信號處理

第1章數(shù)字信號處理概述

課程基本信息

課程性質(zhì)：必修課課程地位：電子信息類和IT類專業(yè)的重要專業(yè)課各重點大學(xué)碩士、博士考試課程之一總學(xué)時：48

授課：36

上機：12課程：數(shù)字信號處理

教材：數(shù)字信號處理，陳天華，清華大學(xué)出版社*緒論課講什么？*1）信號處理學(xué)科的內(nèi)容發(fā)展概貌2）數(shù)字信號處理課程的基礎(chǔ)概念1-1數(shù)字信號處理的基本概念第1章數(shù)字信號處理概述（緒論）1.信號及系統(tǒng)

信號——帶有信息的隨時間和空間變化的物理量或物理現(xiàn)象。信號是信息的物理表現(xiàn)形式，或者說是傳遞信息的函數(shù)，而信息則是信號的具體內(nèi)容。*1）信號的分類根據(jù)不同應(yīng)用目的，對信號有各種不同的分類方法，同一信號，從不同角度分類，可以歸于不同的類別。常用的信號分類方法有以下幾種：（1）按變量個數(shù)分類可以分為一維信號、二維信號和多維信號。信號的變量可以是時間、頻率、空間或其它物理量（2）按周期性分類可以分為周期信號和非周期信號。（3）根據(jù)信號概率特征分類可以分為確定信號和隨機信號。若信號在任意時刻具有確定的取值，則稱為確定信號；若信號在任意時刻的取值不能確定，則稱為隨機信號。（4）根據(jù)能量特性分類可以分為能量信號和功率信號兩類。若信號的能量E為有限值，則稱為能量信號；若信號的功率P有限值，則稱為功率信號。

（5）按載體分類可以分為電信號、磁信號、聲信號、光信號、熱信號、機械信號。（6）根據(jù)變量的連續(xù)性分類可以分為模擬信號、連續(xù)時間信號、離散時間信號和數(shù)字信號。變量和函數(shù)的取值均有連續(xù)與離散兩種，因此，信號可以分為以下四種情況：模擬信號：時間和幅值均是連續(xù)的信號。連續(xù)時間信號：自變量時間是連續(xù)的信號。離散時間信號（或稱序列）：自變量時間是離散的信號。數(shù)字信號：時間離散、幅值量化的信號。一般情況下，連續(xù)時間信號和模擬信號不加嚴(yán)格區(qū)分，經(jīng)常通用；*但通常情況下：（2）離散時間信號和數(shù)字信號也不加嚴(yán)格區(qū)分，經(jīng)常通用；雖然根據(jù)定義，連續(xù)時間信號、模擬信號、離散時間信號、數(shù)字信號是不同的（1）連續(xù)時間信號和模擬信號不加嚴(yán)格區(qū)分，經(jīng)常通用；*2）信號的描述

信號需要加以描述才可以進(jìn)行研究和掌握其規(guī)律，進(jìn)而為人類所認(rèn)識和利用。

信號的描述方法多種多樣，常用的方法主要包括數(shù)學(xué)描述、圖像（波形）描述兩種。

數(shù)學(xué)描述：指將信號表示為一個或若干個自變量的函數(shù)、數(shù)列或表格的形式。

圖像描述：指根據(jù)信號隨自變量變化的函數(shù)關(guān)系，將信號的波形繪出。*2.信號處理

數(shù)字信號處理是指根據(jù)需要用專用或通用計算機，以數(shù)字計算的方式對信號進(jìn)行處理與變換，如信號的濾波、變換、檢測、譜分析、估計、壓縮、識別等一系列的運算和分析，以獲取應(yīng)用所需要的信號，從而達(dá)到便于提取信息或便于利用。DSP(DigitalSignalProcessing)是近幾十年發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。DSP另一種含義：DigitalSignalProcessor指DSP處理器。1.2數(shù)字信號處理系統(tǒng)

*1.DSP系統(tǒng)的組成

（1）數(shù)字信號處理系統(tǒng)的一般組成框圖如下所示：

（2）各單元的作用*

前置預(yù)濾波器：濾除高于某一頻率的信號，防混迭失真。

A/D變換器：完成抽樣和量化，實現(xiàn)數(shù)字化。如下圖所示：*抽樣量化信號處理數(shù)字信號處理器的作用：

*D/A變換器：模擬濾波器：0y(t)**2.數(shù)字信號處理的實現(xiàn)2）硬件實現(xiàn)：①專用DSP芯片實現(xiàn)②通用DSP芯片實現(xiàn)③其它硬件方式實現(xiàn)數(shù)字信號處理器的實現(xiàn)既可以采用硬件芯片實現(xiàn)，也可以采用軟件算法實現(xiàn)。1）軟件實現(xiàn)：

指采用通用的計算機或微機等設(shè)備，通過軟件代碼實現(xiàn)對輸入信號進(jìn)行運算和處理，實現(xiàn)預(yù)定的數(shù)字信號處理功能1)專用DSP芯片：專門應(yīng)用設(shè)計，用途單一3）DSP常用芯片2)通用DSP芯片：用途較廣泛，價格便宜如：TMS320C2000系列TMS320C5000系列TMS320C6000系列ADSP21系列*附注：DSP芯片的主要特點

1）采用哈佛體系結(jié)構(gòu)：程序與數(shù)據(jù)的存儲空間分開，各有各的地址總線和數(shù)據(jù)總線

2）一個指令周期內(nèi)可以完成一次乘法和加法運算

3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線同時訪問兩快芯片4）快速的中斷處理和硬件I/O支持5）可以并行執(zhí)行多個操作6）具有在單周期內(nèi)操作的硬件地址產(chǎn)生器7）具有低開銷和零開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的意見支持8）支持流水線操作，指令、譯碼和執(zhí)行等都可以流水執(zhí)行*1-3

數(shù)字信號處理學(xué)科概貌（研究內(nèi)容）*

1.研究內(nèi)容

1）信號的采集

實現(xiàn)信號的數(shù)字化，包括取樣、量化。2）信號的分析

信號描述與運算，各種變換，時域、頻域分析。3）系統(tǒng)分析線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)，時變系統(tǒng)與非時變系統(tǒng)，線性時（移）不變系統(tǒng)，因果系統(tǒng)與非因果系統(tǒng)，線性時（移）不變因果系統(tǒng)。4）快速算法

FFT,WFT，快速卷積、相關(guān)算法。5）數(shù)字濾波技術(shù)(1)IIR數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計；(2)FIR數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計。6）信號的頻譜分析與估值確定信號：譜分析；隨機信號：相關(guān)計算、譜估計。7）特殊算法反卷積，信號重構(gòu)。8）數(shù)字信號處理的實現(xiàn)(1)在通用微機上，用軟件實現(xiàn);(2)用單片機實現(xiàn);(3)專用數(shù)字信號處理芯片DSP。*2.數(shù)字信號處理的特點*

1）精度高模擬系統(tǒng)：由元器件確定（10-3）；數(shù)字系統(tǒng)：由字長確定。如14位字長即可以達(dá)到10-4的精度。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。3）可靠性高只有“0”和“1”兩個電平，受溫度噪聲影響小。4）容易集成規(guī)范性高，電路參數(shù)要求不高。5）時分復(fù)用：利用數(shù)字信號處理器同時處理幾個通道的信號。*6.可獲得高性能指標(biāo)如頻譜分析：模擬方法低端只能達(dá)到10Hz;數(shù)字方法可做10-3Hz的譜分析.7.便于二維與多維處理用存儲一禎或數(shù)禎圖象信號，實現(xiàn)二、多維處理。8.速度高體積小數(shù)字信號處理器不僅運算速度高，而且體積小。*

1-4應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展方向*

1.應(yīng)用領(lǐng)域

航空航天（神州五號、勇氣號、機遇號等）

通信領(lǐng)域（手機、局端設(shè)備、ADSL、3G等）

地理信息系統(tǒng)（GPS等）

圖形圖象處理（幾乎全部數(shù)字圖象處理）

濾波與變換（生物信號的濾波、ECG信號分析）

醫(yī)療器械（如：B超、CT、核磁共振）

儀器儀表及工業(yè)控制領(lǐng)域（電力控制2812系列）

軍事科學(xué)（擴頻通信、衛(wèi)星通信等）

語音分析與處理（語音信號的分析與模擬）*2.發(fā)展方向

1-4應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展方向

物聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備個性化是當(dāng)前信息化和數(shù)字化的特征，目前，硬件在朝更小面積、更低功耗和更高性能的高集成度解決方案上發(fā)展，DSP芯片業(yè)開始從純粹的DSP芯片供應(yīng)商向廣義的DSP解決方案供應(yīng)商轉(zhuǎn)變。（1）智慧信息處理。即信號處理、通信和智能算法融合，其核心是數(shù)字信號處理技術(shù)，它將智能技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)字多媒體技術(shù)緊密結(jié)合在一起，并將用于各類消費電子產(chǎn)品的設(shè)計與生產(chǎn)之中。（2）網(wǎng)絡(luò)融合。將衛(wèi)星網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、公用電信網(wǎng)及各種專用網(wǎng)絡(luò)更好地結(jié)合在一起，并與家用信息設(shè)施相匹配。（3）個人信息終端。將個人通信系統(tǒng)與個人數(shù)字助理自然地結(jié)合在一起，以實現(xiàn)無時不有、無處不在的通信功能。（4）DSP內(nèi)核結(jié)構(gòu)提升。DSP的結(jié)構(gòu)主要是針對應(yīng)用，并根據(jù)應(yīng)用優(yōu)化DSP設(shè)計以極大改進(jìn)產(chǎn)品的性能。*

（5）超高速和超微尺寸。在硬件方面，由于電子設(shè)備的個人化趨勢，DSP追求更高更快的運算速度是硬件技術(shù)的方向與趨勢。DSP體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是尺寸小、功耗低、性能高。（6）DSP和微處理器的融合。微處理器是低成本的，主要執(zhí)行智能定向控制任務(wù)的通用處理器能很好執(zhí)行智能控制任務(wù)，而信號處理能力較弱，DSP的功能與之相反。未來趨勢是應(yīng)用中均需要同時具有智能控制和數(shù)字信號處理兩種功能。（7）定點DSP技術(shù)。雖然浮點DSP的運算精度更高、動態(tài)范圍更大，但定點DSP器件的成本較低，對存儲器的要求也較低，而且耗電更省。（8）DSP與可編程器件融合。FPGA和DSP集成在一塊芯片上，可實現(xiàn)寬帶信號處理，大大提高信號處理速度。本課程的特點*1.數(shù)學(xué)工具多涉及數(shù)學(xué)分析，概率論，數(shù)理統(tǒng)計，隨機過程，高等代數(shù)，數(shù)值分析，積分變換，復(fù)變函數(shù)等。

2.要求基礎(chǔ)好網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)是本課程的理論基礎(chǔ)。

3.與其它學(xué)科密切相連既與最優(yōu)控制、通信理論、故障診斷、計算機、微電子技術(shù)密不可分，又是人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)之一。數(shù)字信號處理涉及的主要基礎(chǔ)理論：DSP涉及基礎(chǔ)理論數(shù)學(xué)工具

專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)分析概率論數(shù)理統(tǒng)計隨機過程高等代數(shù)數(shù)值分析積分變換復(fù)變函數(shù)網(wǎng)絡(luò)理論信號與系統(tǒng)*推薦參考書

經(jīng)典的：1.A.V.Oppenheim，“DigitalSignalProcessing”,1975.中譯本有多種2.W.D.Stanley,“DigitalSignalProcessing”,1975.中譯本常迥譯1979.*

3.吳鎮(zhèn)揚，數(shù)字信號的原理與實現(xiàn)，東南大學(xué).4.陳后金，數(shù)字信號處理，高等教育出版社，

2021.

5.丁玉美等，數(shù)字信號處理，西安電子科大，（第