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1、數(shù)字信號處理,預修課程：信號與系統(tǒng) 面向?qū)ο螅荷镝t(yī)學工程相關(guān)專業(yè)高年級，研究生 考試方式及要求：考試和平時作業(yè)相結(jié)合，考試占70%，平時作業(yè)占30%,講授內(nèi)容與參考書,教材： 朱軍，數(shù)字信號處理，合肥工業(yè)大學出版社，2009 參考書： 程佩青，數(shù)字信號處理教程，清華大學出版社，第4版 A.V.Oppenheim ，“Digital Signal Processing” ，1975，中譯本有多種 胡廣書，數(shù)字信號處理理論、算法與實現(xiàn)，清華大學出版社，第3版,1.緒論信號和信號處理 2.離散時間信號的時域分析 3.Z變換 4.離散傅里葉變換,本課程內(nèi)容安排,5. 快速傅里葉變換 6. IIR濾波

2、器設計 7. FIR濾波器設計 8. 總復習,本課程主要介紹了數(shù)字信號處理的基礎理論及方法，主要包括時域中的離散時間信號與系統(tǒng)、變換域中的離散時間信號和系統(tǒng)、連續(xù)時間信號的數(shù)字處理、數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)及數(shù)字濾波器的設計方法等。 LabVIEW、MATLAB是進行數(shù)字信號處理實踐最方便、最能使學習者產(chǎn)生興趣的平臺。 利用Internet來擴大自己的知識面和跟蹤本門學科的最新發(fā)展動態(tài)。,數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領(lǐng)域的新興學科。 20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應運而生并得到

3、迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。 在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應用。 TI，ADI，F(xiàn)REESCALE等,什么是DSP？數(shù)字信號處理,什么是DSP？數(shù)字信號處理器,DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。 它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。

4、,什么是DSP？數(shù)字信號處理器,根據(jù)數(shù)字信號處理運算的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點： （1）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； （3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問； （4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； （5）快速的中斷處理和硬件I/O支持； （6）具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器； （7）可以并行執(zhí)行多個操作； （8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。,DSP的典型應用,1.有線網(wǎng)絡：壓縮、復原的編解碼技術(shù)、數(shù)據(jù) 傳輸?shù)?2.無線通信 3.醫(yī)療家電 4.另外

5、還有虛擬現(xiàn)實，噪聲對消技術(shù)，電機控制，圖像處理等等 可以說DSP是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的重要基石，它在網(wǎng)絡時代的地位與CPU在PC時代的地位一樣。,例1.語音處理,它是最早采用數(shù)字信號處理技術(shù)的領(lǐng)域之一。 本世紀50年代提出語音形成數(shù)字模型，經(jīng)過十多年對語音的分析、綜合、證明是正確的。 在語音領(lǐng)域現(xiàn)存在著三種系統(tǒng)：語音分析系統(tǒng)：(自動語音識別系統(tǒng)，它能識別語音，辨認說話的人是誰，而且破譯后，能立即作出決斷。語音綜合系統(tǒng)：盲人的自動閱讀機，聲音響應的計算機終端，會說話玩具，家用電器(CD,VCD,DVD)。語音分析綜合系統(tǒng)：語音存儲和檢索系統(tǒng)。 即廣泛應用于電話竊聽。即應用于語音編碼、語音合成、語音識別

6、、語音增強、說話人確認、語音郵件、語音存儲等。,例2.圖像處理,數(shù)字信號處理技術(shù)成功應用的圖像處理方法有： 數(shù)據(jù)壓縮 圖像復原 清晰化與增強 由于單個數(shù)字圖像以106個采樣值的量級表示，所以要求高性能的處理機、高密度的數(shù)據(jù)存儲器。即要求高速度硬件。,例3. 雷達,在軍事上，雷達、計算機、射擊武器等組成一個自動控制系統(tǒng)。 當目標進入雷達的作用半徑以內(nèi)并被雷達自動跟蹤時，雷達就測量出目標的當前位置(距離、方位角和高低角)，并把數(shù)據(jù)送入計算機，推算出目標的航向，航速，引導導彈或自動火炮去擊中目標(愛國者導彈對飛毛腿導彈)。雷達系統(tǒng)是應用高性能數(shù)字信號處理技術(shù)的一個例子。 雷達系統(tǒng)主要信號處理功能包括

7、： 信號產(chǎn)生、匹配濾波、門限比較、目標參數(shù)(如射程、方位和速度)估計。,例4. 通信,整個通信領(lǐng)域幾乎沒有不受數(shù)字信號處理技術(shù)影響的地方。 數(shù)字技術(shù)已用于信號的調(diào)制、解調(diào)、濾波、混頻、檢波和多路傳輸?shù)葐栴}中。 語音數(shù)據(jù)壓縮與解壓是數(shù)字信號處理的重要內(nèi)容。 在電信領(lǐng)域，數(shù)字處理技術(shù)已發(fā)展到音調(diào)檢測，回波清除、數(shù)字開關(guān)網(wǎng)和自適應均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、可視電話等。許多音頻通信的信號處理功能，已由單塊集成電路實現(xiàn)。,其他,生物醫(yī)學信號處理CT / CAT CT：計算機X射線斷層攝影裝置。其中頭顱CT英國EMI公司豪斯菲爾德獲諾貝爾獎。 CAT：計算機X射線空間重建裝置。出現(xiàn)全身掃描，心臟活動立體圖

8、形，腦腫瘤異物，人體軀干圖像重建。 嵌入式電子系統(tǒng),藍牙耳機 IP可視電話 各類數(shù)碼產(chǎn)品,數(shù)字測速計,自動變焦攝像頭,數(shù)字電視 數(shù)碼相機,醫(yī)學成像 超聲波探傷器,一、緒論,1.信號 2.信號的最基本的參數(shù) 3.信號分類 4.典型的信號處理運算 5.數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成 6.數(shù)字信號處理的應用領(lǐng)域 7.數(shù)字信號處理的特點,1. 信號,信息科學是研究信息的獲取、傳輸、處理和利用的一門科學。 信號是傳輸信息的函數(shù)，是信息的物理表現(xiàn)形式；而信息是信號的具體內(nèi)容。 數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化是當代信息技術(shù)發(fā)展的大趨勢，而數(shù)字化是智能化和網(wǎng)絡化的基礎。,2. 信號的最基本的參數(shù),頻率：自變量的周期的倒數(shù)

9、 幅度：在指定自變量上的信號的值 波形：幅度隨自變量的變化,3. 信號分類及相關(guān)分析處理,按信號源數(shù)量分： 標量信號一個信號源 矢量信號（多通道信號）多個信號源 自變量數(shù)目： 一維（自變量通常是時間）語音：T 二維圖像：X、Y 三維黑白視頻：X、Y、T,3. 信號分類及相關(guān)分析處理,按信號定義域分 實值信號為實數(shù) 復值信號為復數(shù) 按自變量性質(zhì)分 連續(xù)（時間）信號自變量定義域為每個時刻，（T1，T2）區(qū)間 離散（時間）信號自變量定義域為離散時刻Ti序列，Ti一般等間隔,常見的信號,圖像信號,語音信號,電壓電流信號,數(shù)字信號,3. 信號分類及相關(guān)分析處理,按幅值的性質(zhì)分 (1)模擬信號連續(xù)幅值的連

10、續(xù)時間信號 (2)量化階梯信號離散幅值的連續(xù)時間信號 (3)抽樣數(shù)字信號連續(xù)幅值的離散時間信號 (4)數(shù)字信號離散幅值的離散時間信號 四者的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系*,信號的研究域：時域與頻域,時域：相關(guān)性、均值、方差 頻域：功率譜等 轉(zhuǎn)換關(guān)系：傅里葉變換對,頻域分析是采用傅立葉變換將時域信號 變換為頻域信號,傅立葉變換的主要性質(zhì),信號的時域描述和頻域描述依靠傅立葉變換，建立起彼此一一對應的關(guān)系 熟悉傅立葉變換的主要性質(zhì)，有助于理解信號在某個域的特征、運算和變化將在另一域中產(chǎn)生何種相應的特征、運算和變化，并為復雜工程問題的分析和簡化提供幫助,6),x1（t）通過x2（t）信道后的輸出特性。,線性卷積的計算

11、,卷積的運算過程可分為四步 翻褶 （2）移位 （3）相乘 （4）相加,狄拉克函數(shù)與卷積,矩形脈沖信號x(t),矩形脈沖函數(shù)頻譜,幅度不再是等幅，成為周期矩形脈沖包絡線的加權(quán),矩形脈沖的信號抽樣卷積過程,4. 典型的信號處理運算,1. 基本運算（時域） 標乘 延時 相加 相乘,4. 典型的信號處理運算,積分（在離散域近似實現(xiàn)） 微分（在離散域近似實現(xiàn)） 連續(xù)信號的傅立葉變換,舉例：,1 ）信號的+ - 運算,信號反轉(zhuǎn): f (t) f ( t),2）信號的時間變換,什么是信號？ 信號是消息的表現(xiàn)形式，消息則是信號的具體內(nèi)容。 什么是系統(tǒng)？ 系統(tǒng)是由若干相互作用和相互依賴的事物組合而成的具有特定功

12、能的整體。 信號作用于系統(tǒng)產(chǎn)生什么響應？,信號的載體：系統(tǒng),定義: 若干相互作用、相互聯(lián)系的事物按一定規(guī)律組成具有特定功能的整體稱為系統(tǒng)。,3）系統(tǒng)的描述與分類,系統(tǒng)的數(shù)學模型 系統(tǒng)的方框圖表示,系統(tǒng)的描述,PrF,ADC,DSP,DAC,PoF,前置濾波器 將輸入信號xa(t)中高于折疊頻率(等于抽樣頻率的一半)的分量加以濾除。 A/D變換器 由模擬信號產(chǎn)生一個二進制流。 在A/D變換器中每隔T秒(抽樣周期)取出一次xa(t)的幅度，抽樣后的信號為數(shù)字信號。,3）系統(tǒng)的描述與分類,數(shù)字信號處理器(DSP) 按照預定要求，在處理器中將信號序列x(n)進行加工處理得到輸出信號y(n). D/A變

13、換器 由一個進制流產(chǎn)生一個階梯波形（量化階梯信號）。 后置濾波器 把階梯波形平滑成預期的模擬信號。 以濾除掉不需要的高頻分量，生成所需的模擬信號ya(t).,3）系統(tǒng)的描述與分類,連續(xù)時間系統(tǒng) 與 離散時間系統(tǒng),連續(xù)時間系統(tǒng)： 系統(tǒng)的輸入激勵與輸出響應都必須為連續(xù)時間信號 連續(xù)時間系統(tǒng)的數(shù)學模型是微分方程式。 離散時間系統(tǒng)： 系統(tǒng)的輸入激勵與輸出響應都必須為離散時間信號 離散時間系統(tǒng)的數(shù)學模型是差分方程式。,3）系統(tǒng)的描述與分類,4）典型的系統(tǒng)運算： 濾波（加窗、卷積、FFT等綜合） 低通濾波器 高通濾波器 帶通濾波器 帶阻濾波器 陷波濾波器 多頻帶濾波器 梳狀濾波器,5.數(shù)字信號處理的分析領(lǐng)

14、域,數(shù)字信號處理大致可分為： 信號分析 信號濾波,5.時、頻域的信號分析領(lǐng)域,任務：涉及信號特性的測量。它通常是一個頻域的運算。 主要應用于： 譜(頻率和/或相位)分析 語音分析 說話人識別 目標檢測,信號分析關(guān)鍵：周期與非周期信號頻譜特點周期信號特點：,1、周期信號的頻譜由不連續(xù)的線條組成，每一條線代表一個正弦量，故稱為離散頻譜； 2、周期信號頻譜的每條譜線只能出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍頻率上。這就是周期信號頻譜的諧波性； 3、各次諧波的振幅，總的趨勢是隨著諧波次數(shù)的增高而逐漸減小。所以，周期信號的頻譜具有收斂性。 以上就是周期信號頻譜的三個特點：離散性、諧波性、收斂性。這是周期信號共有的特點。

15、,周期信號頻譜,任一個連續(xù)周期信號都可以寫成不同頻率下的正弦或余弦級數(shù)的展開！,周期信號頻域離散；非周期頻域連續(xù),離散頻譜與連續(xù)頻譜 作為非周期信號，可認為T無窮大。 當周期信號的周期T增大，其頻譜中的譜線也相應地漸趨密集，頻譜的幅度也相應的漸趨減小。當 T接近無窮時，頻譜線無限密集，頻譜幅度無限趨小。這時，離散頻譜就變成連續(xù)頻譜。所以非周期信號為連續(xù)譜。,周期信號與非周期信號頻譜分析的比較,相同點 可以分解為許多不同頻率的諧波分量之和 不同點 對于非周期信號，由于周期 ，基頻 ，它包含了從0的所有頻率分量（連續(xù)譜），各頻率分量的幅值為 是無窮小量，所以學周期信號頻譜不能再用幅值表示，而必須用

16、頻譜密度函數(shù)描述。,傅里葉級數(shù)(FS)：連續(xù)時間，離散頻率的傅里 葉變換 。 連續(xù)傅里葉變換(FT)：連續(xù)時間，連續(xù)頻率的傅里葉變換。 序列的傅里葉變換(DTFT)：離散時間，連續(xù)頻率的傅里葉變換。 離散傅里葉變換(DFT)：離散時間，離散頻率的傅里葉變換,連續(xù)時間、連續(xù)頻率傅里葉變換,連續(xù)時間、離散頻率傅里葉級數(shù),離散時間、連續(xù)頻率序列的傅里葉變換,離散時間、離散頻率離散傅里葉變換,該部分總結(jié)：FT 變換的幾種形式,1）連續(xù)周期時間，離散非周期頻率傅立葉級數(shù)(FS),這是連續(xù)時間，周期信號x(t)的傅立葉變換。它得到離散的、非周期的頻譜密度函數(shù)X(j)。周期為Tp的周期性連續(xù)時間函數(shù) x(t

17、) 可展成傅里葉級數(shù)X(jk0) ,是離散非周期性頻譜 ,如下式 表 示。例如信號x(t)=sin100t只有一個頻率分量。,X(jK0)是頻譜相鄰兩譜線間角頻率的間隔，K為諧波序號。,例子,通過以下變換對，可以看出時域的連續(xù)函數(shù)造成頻域是非周期的頻譜函數(shù)，而頻域的離散頻譜就與時域的周期時間函數(shù)對應。,2）連續(xù)時間，連續(xù)頻率傅立葉變換(FT),這是連續(xù)時間，非周期信號x(t)的傅立葉變換。它得到連續(xù)的、非周期的頻譜密度函數(shù)X(j)。,例子,通過以下變換對可以看出時域連續(xù)函數(shù)造成頻域是非周期的譜，而是時域的非周期造成頻域是連續(xù)的譜。,3）離散非周期時間，連續(xù)周期頻率序列的傅立葉變換(DTFT)：非周期離散的時間信號得到周期性連續(xù)的頻率函數(shù)。,由采樣定理的知識，我們知道：時域離散，將導致頻域周期化，且頻域周期是s。,例子,同樣可看出,時域的離散造成頻域的周期延拓 ,而 時域的非周期對應于頻域的連續(xù) .,4）周期信號的離散頻譜 離散傅里葉變換(DFT),上面討論的三種傅里葉變換對，都不適用在計算機上運算，因為至少在一個域（時域或頻域）中，函數(shù)是連續(xù)的。因為從數(shù)字計算角度，我們感興趣的是時域及頻域都是離散的情況，這就是我們這里要談到的離散傅里葉變換。 周期性離散時間信號從上可以推斷： 周期性時間信號可以產(chǎn)生頻譜是離散的 離散時間信