數(shù)字信號(hào)處理 緒論及復(fù)習(xí)學(xué)習(xí)資料

數(shù)字信號(hào)處理齊美彬

電子信息工程系

信號(hào)與信息處理研究所緒論一、信號(hào)、系統(tǒng)和信號(hào)處理（1）信號(hào)及其基本特征1、信號(hào)信號(hào)很廣泛：如語音信號(hào)、圖像信號(hào)解釋：一個(gè)隨著時(shí)間變化的物理量。物理信號(hào)電信號(hào)信號(hào)處理電信號(hào)物理信號(hào)話筒揚(yáng)聲器信號(hào)最基本的參數(shù)：頻率、幅度(3-30)kHz:VerylowfrequencyVLF(潛水艇導(dǎo)航)甚低頻(30-300)kHz:LowfrequencyLF(潛水艇通信)低頻(300~3000)kHz:Mediumfrequency(調(diào)幅廣播)中頻(3-30)MHz:Highfrequency(HF)(無線電愛好者，國(guó)際廣播，軍事通信無繩電話，電報(bào)，傳真)高頻(30-300)MHz:VeryHighfrequency(VHF)(調(diào)頻FM，甚高頻電視)甚高頻(0.3~3G)Hz:Ultrahighfrequency(UHF)(UHF電視，蜂窩電話，雷達(dá)，微波，個(gè)人通信)超高頻頻率低20Hz范圍，稱為次聲波，它不能被聽到，當(dāng)強(qiáng)度足夠大，能被感覺到。(處于VLFVerylowfrequency)甚低頻頻率20Hz~20KHz稱為聲波，Lowfrequency(處于LF)低頻頻率>20KHz稱為超聲波，具有方向性，可以成束(處于LF)（2）信號(hào)的分類單色信號(hào)和復(fù)合信號(hào)單色信號(hào)：只有單一的頻率。復(fù)合信號(hào)：各種正弦頻率分量的合成。

我們通?？紤]它的頻帶寬度。我們通常處理的是復(fù)合信號(hào)。例：例：一個(gè)高品質(zhì)的音響信號(hào)帶寬20kHz

一個(gè)視頻信號(hào)的帶寬是6MHz連續(xù)時(shí)間信號(hào)和離散時(shí)間信號(hào)連續(xù)時(shí)間信號(hào)：隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)，它們?cè)谝粋€(gè)時(shí)間區(qū)間里的任何瞬間都有確定的值。離散時(shí)間信號(hào)：只在離散的時(shí)間點(diǎn)有確定的值，通常是對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣得到的。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：指時(shí)間連續(xù)、幅度連續(xù)的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)：時(shí)間和幅度上都是離散（量化）的信號(hào)。

故：數(shù)字信號(hào)可用一序列的數(shù)表示，而每個(gè)數(shù)又可表示為二制碼的形式。量化離散數(shù)字信號(hào)連續(xù)離散離散時(shí)間信號(hào)連續(xù)連續(xù)連續(xù)時(shí)間信號(hào)幅度時(shí)間

周期信號(hào)和非周期信號(hào)若信號(hào)滿足：

x(t)=x(t+kT0)k為正整數(shù)；或x(n)=x(n+kN)

k,N皆為正整數(shù)，

則x(t)或x(n)是周期信號(hào)，周期分別為T0和N；否則就是非周期信號(hào)。確定信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)確定性信號(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)；它的值可以用有限個(gè)參量來唯一地加以描述。例：直流信號(hào)、階躍信號(hào)、正弦波信號(hào)隨機(jī)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，即它不能用有限的參量加以描述。也無法對(duì)它的未來值確定性地預(yù)測(cè)。它只能通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來描述。例：許多自然現(xiàn)象所發(fā)生的信號(hào)、語音信號(hào)、圖像信號(hào)、噪聲都是隨機(jī)信號(hào)。它們具有幅度(能量)隨機(jī)性、或具有發(fā)生時(shí)間上的隨機(jī)性或二都兼有之。2、系統(tǒng)系統(tǒng)分類系統(tǒng)：處理信號(hào)的物理設(shè)備?；蛘哒f，凡是能將信號(hào)加以變換以達(dá)到人們要求的各種設(shè)備可稱之為系統(tǒng)。（a）連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)（b）離散時(shí)間系統(tǒng)（c）模擬系統(tǒng)（d）數(shù)字系統(tǒng)3、數(shù)字信號(hào)處理解釋：數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備

，以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、濾波

、變換、壓縮、增強(qiáng)、估計(jì)、識(shí)別等加工處

理，以達(dá)到提取有用信息和便于應(yīng)用的目的。二、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成y

(n)x

(n)ya(t)xa(t)前置預(yù)濾波器采樣A/D數(shù)字信號(hào)處理器D/A模擬濾波器數(shù)字信號(hào)處理器的選擇與實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn)（pc、mcu、arm）專用DSP芯片通用DSP芯片數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)現(xiàn)方法采用大、中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī)在工作站和微機(jī)上使用廠家的數(shù)字信號(hào)處理軟件或自己編寫信號(hào)處理軟件。優(yōu)點(diǎn)：可適用于各種數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用場(chǎng)合，很靈活。用單片機(jī)由于單片機(jī)發(fā)展已經(jīng)很久，價(jià)格便宜，且功能較強(qiáng)。優(yōu)點(diǎn)：可根據(jù)不同環(huán)境配不同單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，但數(shù)據(jù)運(yùn)算量不能太大。利用通用DSP芯片DSP芯片較之單片機(jī)有著更為突出優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部帶有乘法器，累加器，采用流水線工作方式及并行結(jié)構(gòu)，多總線速度快。配有適于信號(hào)處理的指令。目前市場(chǎng)上的DSP芯片有：美國(guó)德州儀器公司(TI):TMS320CX系列AT&T公司dsp16,dsp32系列Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列利用專用DSP芯片三、數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科概貌1945年BodeSchanon提出了采樣定理1955年國(guó)際上第一次開設(shè)了數(shù)字濾波器課程1965年Corly-Tukey發(fā)明了快速傅立葉變換（FFT），1966年Kaiser提出數(shù)字濾波理論在國(guó)際上，一般把1965年FFT的問世，作為數(shù)字信號(hào)處理這一新學(xué)科的開端30多年的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理自身已基本上形成一套較為完整的理論體系數(shù)字信號(hào)處理的理論信號(hào)的采集（A/D）技術(shù)、取樣定理、量化噪聲分析離散信號(hào)的分析（時(shí)域及頻域分析、各種變換技術(shù)、信號(hào)特征的描述等）離散系統(tǒng)分析（系統(tǒng)的描述、系統(tǒng)的單位取樣響應(yīng)、系統(tǒng)函數(shù)及頻率特性等）信號(hào)處理中的快速算法（快速傅立葉變換、快速卷積與相關(guān)等）信號(hào)的估值（各種估值理論、相關(guān)函數(shù)與功率譜估計(jì)等）濾波技術(shù)（各種數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)）信號(hào)的建模（AR、MA、ARMA等模型）信號(hào)處理中的特殊算法（如抽取、插值、反卷積、信號(hào)重建等）信號(hào)處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)（軟件實(shí)現(xiàn)、硬件實(shí)現(xiàn)）精度高在模擬系統(tǒng)中，它的精度是由元件決定，模擬元器件的精度很難達(dá)到10-3以上。而數(shù)字系統(tǒng)中，17位字長(zhǎng)就可達(dá)10-5精度，所以在高精度系統(tǒng)中，通常采用數(shù)字系統(tǒng)。PrecisioncomponentspecificationADCbits,CPUwordwidth四、數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)靈活性高ProgrammabilityAnalogsystem：Modifyhardwaredesign.Digitalsystem：Modifysoftware.數(shù)字系統(tǒng)的性能主要決定于乘法器的各系數(shù)，且系數(shù)存放于系數(shù)存儲(chǔ)器內(nèi)，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?？煽啃愿逽tabilityAnalogsystem：thecharacteristicsofanalogsystemcomponents,resistors,capacitorsandoperationalamplifierswillchangealongwithtemperature,humidity.Digitalsystem：willshownovariationwithtemperaturethroughouttheirguaranteedoperationrange.Anti-noise數(shù)字系統(tǒng)：只有兩個(gè)信號(hào)電平0，1受噪聲及環(huán)境條件的影響小。數(shù)字系統(tǒng)宜采用大規(guī)模集成電路，其故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用眾多分立元件構(gòu)成的模擬系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)：各參數(shù)都有一定的溫度系數(shù)，易受環(huán)境條件，如溫度、振動(dòng)、電磁感應(yīng)等影響，產(chǎn)生雜散效應(yīng)甚至振蕩等。VeryLargeScaleIntegratedcircuit時(shí)分復(fù)用利用DSP同時(shí)處理幾個(gè)通道的信號(hào)。某一路信號(hào)的相鄰兩抽樣值之間存在很大的空隙時(shí)間，因而在同步器的控制下，在此時(shí)間空隙中送入其他路的信號(hào)，而各路信號(hào)則利用同一DSP，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)，因而處理器運(yùn)算速度越高，能處理的信道數(shù)目也就越多。多路器DSP分路器同步123n123nWestillneedanalogprocessing（1）Real-TimeProcessingAnalogsystem：Besidesthedelayintroducedbythecircuit,theprocessingisinreal-time.

Digitalsystem：Decidedbytheprocessorspeed.（2）ProcessingveryhighfrequencysignalsAnalogsystem：mayprocessmicrowave,mini-meter-wave,evenlightwavesignals.Digitalsystem：BytheNyquistRule，theprocessingspeedislimitedbytheS/H,A/Dandprocessorspeed.(3)Themostsignalsinrealwouldareanalog.Ifwewanttoprocesstheseanalogsignalswithdigitalsignalprocessingsystem,mustchangethemintodigitalformfirstbymixedsignalprocessing.五、數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用濾波與變換通信語音圖像消費(fèi)電子儀器工業(yè)控制與自動(dòng)化醫(yī)療軍事DSPSolutionProgrammableswitchMobilephoneADSL

（AsymmetricDigitalSubscriberLine)DigitalCameraDigitalCameraHDTV

HighDefinitionTVDVD(DigitalVideoDisc)SimulatorofairplaneGPS(GlobalPositionSystem)Radar/SonarCruisemissileSmartbombfromF117Patternrecognization

Fingerprint

distinguish

DevelopmentofDSPHigherprocessingspeedMulti-DSPco-operationLowerpriceorhigherperformancepriceratioLowerpowerconsumptionorlongerbatterylifeASICbasedonDSPcoreApplicationSpecificIntegratedCircuit特定用途集成電路總體要求：1、理解基本概念、基本原理2、掌握基本計(jì)算、推導(dǎo)方法3、通過實(shí)驗(yàn)加深理解、解決實(shí)際問題成立學(xué)習(xí)小組，提升學(xué)習(xí)效果、效率：8人/組，組長(zhǎng)選舉產(chǎn)生作業(yè)：每人都要做，但每組只交一份給我，并注明組內(nèi)各人作業(yè)完成情況，各人簽字。實(shí)驗(yàn)：每個(gè)人都要交實(shí)驗(yàn)報(bào)告課堂問卷1、你有信心學(xué)好數(shù)字信號(hào)處理課程嗎？A充滿信心B信心不足2、你能保證認(rèn)真聽講并自己思考作業(yè)嗎？A能B很困難3、如果遇到問題，你會(huì)主動(dòng)問老師或同學(xué)嗎？A會(huì)B不會(huì)4、就本門課程而言，你最想對(duì)老師說：總復(fù)習(xí)一、離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)理解序列的概念及幾種典型序列，掌握序列的運(yùn)算，掌握線性卷積，圓周卷積及二者之間的關(guān)系，會(huì)判斷序列的周期性。線性、移不變性、因果性、穩(wěn)定？什么樣的LSI系統(tǒng)是因果/穩(wěn)定系統(tǒng)（時(shí)域、頻域判斷條件）？理解概念且會(huì)判斷（直接判斷、h（n））常系數(shù)線性差分方程，迭代求y（n）、h（n）。時(shí)域抽樣及重建，頻域抽樣及重建。理解對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)抽樣后引起的頻譜變化，掌握奈奎斯特抽樣定理。二、序列傅里葉變換（DTFT）及z變換序列的Fourier變換定義（條件）、性質(zhì)了解周期序列的DFS及性質(zhì)，周期序列的FTz變換與DTFT變換的關(guān)系差分方程

--H(z)系統(tǒng)函數(shù)、頻率響應(yīng)、幅頻特性、相位特性？幾何法確定系統(tǒng)的幅頻特性。零極點(diǎn)對(duì)幅頻特性的影響。三、離散Fourier變換理解DFT及性質(zhì)，掌握?qǐng)A周移位、共軛對(duì)稱性，掌握?qǐng)A周卷積、線性卷積及兩者之間的關(guān)系頻域抽樣理論：N點(diǎn)DFT-DTFT在0-2pai區(qū)間抽樣N點(diǎn)，頻率抽樣間隔？對(duì)于模擬信號(hào)而言，就是在0-Fs上抽樣N點(diǎn)，抽樣間隔？頻率抽樣定理？理解頻譜分析過程：分辨率？時(shí)域截?cái)嚅L(zhǎng)度Tp？時(shí)域抽樣頻率？時(shí)域抽樣點(diǎn)數(shù)？頻域抽樣點(diǎn)數(shù)？四、FFT理解DIT和DIF的基-2FFT算法原理、運(yùn)算流圖、所需計(jì)算量理解IFFT方法了解線性卷積的FFT算法及分段卷積方法實(shí)序列的DFT、IDFT的快速算法五、數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)掌握IIR濾波器的四種基本結(jié)構(gòu)理解FIR濾波器的直接型、級(jí)聯(lián)型、線性相位結(jié)構(gòu)，了解頻率抽樣型結(jié)構(gòu)六、IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)理解全通系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用掌握沖激響應(yīng)不變法和雙線性變換法掌握Butterworth濾波器的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法、步驟了解利用模擬濾波器設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過程（脈沖響應(yīng)不變法、雙線性變換法的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍）了解利用頻帶變換法設(shè)計(jì)各種類型數(shù)字濾波器的方法（低通、高通數(shù)字濾波器）七、FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)掌握線性相位FIR數(shù)字濾波器的條件和特點(diǎn)（線性相位特性的時(shí)域意義？）掌握窗函數(shù)設(shè)計(jì)法了解頻率抽樣設(shè)計(jì)法理解IIR與FIR數(shù)字濾波器的比較一、總體要求懂得信號(hào)分析、信號(hào)處理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理、方法，掌握數(shù)字信號(hào)處理理論、技術(shù)，并能用matlab實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證；能具體化理解信號(hào)處理，不能一直停留在抽象階段；數(shù)字信號(hào)處理是實(shí)實(shí)在在的一門技術(shù)，要能學(xué)以致用、活學(xué)活用；二、具體要求數(shù)字信號(hào)、數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)域表示（分析）、運(yùn)算（處理）；數(shù)字信號(hào)、數(shù)字系統(tǒng)的頻域表示（分析）、運(yùn)算（處理）；數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（IIR、FIR）FT（時(shí)域連續(xù)---頻域連續(xù)）、LT（時(shí)域連續(xù)—頻域連續(xù)）、ZT（時(shí)域離散---頻域連續(xù)）、DTFT（時(shí)域離散---頻域連續(xù)）、DFT（時(shí)域離散---頻域連續(xù)）、FFT（DFT的快速算法）、DFS（時(shí)域（連續(xù)/離散