1、歡迎并感謝您使用數字信號處理理論、算法與實現 或 數字信號處理導論 及 本電子課件 關于“數字信號處理” 概論（一）信號（二）數字信號（三）數字信號處理 1 數字信號處理的任務 2 數字信號處理的優勢 3 數字信號處理的理論 4 數字信號處理的實現 5 數字信號處理的應用 6 關于數字信號處理的學習關于數字信號處理Digital Signal Processing (DSP) 一門新的學科Digital Signal Processor (DSP) 數字信號處理器: DSPs一門正在蓬勃發展的高新 技術學科信號？數字信號？數字信號處理？ 信號是信息（Information)的載體 ，即信息包含

2、在信號中。 信號，特別是一維信號，多是時間 的函數，即（一） 信號t( )x t連續時間信號，又稱模擬信號（Analog Signal)常見信號： 電壓，電流，磁通；溫度，壓力， 壓強；光，機械振動； 價格，經濟指數，股市指數； 流量，水位，潮位；人體生理信號 等等要求：準確檢測R波，99 準確檢測 P,Q,S,T等波， 90% 準確測量 PQ間期， QRS寬度， S-T段形態不同心臟病人的心電圖腦電信號胎兒心電信號腦電（EEG）的節律（即主要頻率）：節律：13Hz 的成分。（深睡）（淺睡）（清醒）（受刺激或思考）02000400060008000100001200014000-1-0.8-0

3、.6-0.4-0.200.20.40.60.81火車鳴笛信號二維信號：視頻信號： ( , )f x y( , ; )f x y t作用：將非電信號轉化為電信號。 轉化后的信號是連續時域模擬 （Analog)信號, 可以用 表示。 模擬信號產生、處理和傳輸所使用 的器件是: R, L, C, OP(運算放大器) 缺點: 體積大, 精度低，不靈活( )x t 傳感器 (sensor)()( )( )sst nTx nTx tx n（二）數字信號 : 所有整數 : 抽樣間隔 ， ：抽樣頻率(Sampling Frequency)nsT1/ssfTsf1,1ssTf歸一化：nZ Zsensors放大器

4、A/DDSP裝置信號源D/A( )x t( )x t()sx nT()sy nT( )y t00000000 0V00000001 20mV 00000010 40mV29mV 31mV A/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（又稱數據采集板）。將A/D板插入普通計算機（如PC）的擴展槽中，配以相應的軟件即可實現信號的抽樣。A/D芯片有兩個主要的參數，一是字長，二是轉換速度。現在市售的A/D芯片的字長有8bit，10bit，12bit及14bit，字長越長，量化誤差越小，自然，轉換的精度就越高。轉換速度決定了其A/D芯片的最大抽樣速度，目前市售的A/D芯片

5、的抽樣速度可由幾十千赫至幾百兆赫。當然，字長越長，速度越高，其售價也越貴，使用者應視實際需要選用。以PC或專用DSP裝置為硬件平臺, 以數值分析為基本工具, 發展眾多的信號處理算法，實現信號自身的提取或是信號有用特征( 幅度, 周期, 持續時間, 過零點個數, 上升時間, 下降時間, 自相關函數, 功率譜)的提取, 以達到認識信號, 利用信號的目的。（三） 數字信號處理任務：任務：從信號中提取出所需要的信息，并將其用于 實際 。1. 1. 數字信號處理的任務數字信號處理的任務例：心電監護儀：內含CPU 用于危重病房（intensive care unit，ICU）的心電自動監護儀的作用是監護病

6、人的心電狀態（同時也包括其他生理參數，如血壓、呼吸等），它應能實時地顯示和存儲病人的心電波形，并根據心電圖的異常來自動決定是否給出報警。一個實際的心電監護儀由心電放大器、A/D 轉換器、CPU、顯示單元、存儲單元、系統管理軟件和心電信號處理軟件所組成。心電處理軟件的功能： （1） 在CPU的控制下實現心電信號的采集、顯 示和存儲； （2）去除噪聲： 在信號采集時，身體的任一微小運動都會產生“基線漂移”，這是一種低頻干擾，同時，由于肌電的存在又產生了高頻的肌電噪聲，由于空間電磁場的存在又使心電信號中混有50Hz的工頻干擾。這些噪聲不去除，就會影響下一步的信號處理。 帶有高頻噪聲及病態失真的心電信

7、號（3）波形檢測（參數提取）： R波檢測：要求99； P波檢測，T波檢測：幅度特別低，90； P-Q間期測量；S-T段形態檢測； QRS寬度檢測 （4）病類判別：根據檢測出的參數、心臟疾病的原 理和醫生的臨床經驗，建立起各種心律異常的數學模型并對心電信號做出判別，決定是否異常，如異常，又屬于哪一類異常。這一工作即是信號處理的應用。 以上內容雖然屬于生物醫學工程學科的范疇，但從中可以看出數字信號處理的內容和任務。其他學科的信號處理過程和該問題類似，即大體上也包含了去噪、特征檢測（或提取）和應用于實際這三個方面。 2. 2. 數字信號處理的優勢數字信號處理的優勢:（1）. 精度高 （2）. 可重復

8、性強 （3）. 體積小 （4）. 成本低 （5）. 可編程：所以靈活性強 （6）. 實時性(Real-time)強數學: 微積分, 線性代數, 概率, 隨機過程, 數論, 近世代數現代通信原理、現代控制理論模式識別、最優化、神經網絡系統辨識、 振動測試生物醫學工程信號 3. 數字信號處理的理論：基礎發展l1. 信號抽樣與采集理論;l2. 信號分析理論: Z變換, 離散傅里葉變換(DFT) Hilbert 變換 離散余弦變換(DCT) 離散小波變換(DWT) 快速算法理論(FFT) 3. 離散系統分析; 4. 離散系統設計(濾波器設計); 5. 隨機信號統計分析理論; 6. 信號建模(AR, M

9、A,ARMA) ; 7. 特征估計(自相關函數,功率譜計); 8. 實現(軟件-MATLAB; 硬件- DSP); 9. 應用（教學, 科研, 開發的前期）DSP軟件包MATLAB Signal Processing Tool Box4. 數字信號處理的實現軟件實現:硬件實現:CPU, MCU, DSP DSP的特點: 時鐘快；硬件乘法器（實現連乘連加）； 哈佛結構；較多的寄存器， 等等 數字信號處理中最常用的算法是線性卷積和 DFT,其特點是大量的“連乘連加”運算，如： ( )( ) ()ky nx k h nk120( )( )Njnk NnX kx n e耳背式耳背式耳道式耳道式耳耳內內

10、式式完全完全耳耳內內式式心電 Holter5. 關于數字信號處理的學習 作為一門課程，學好數字信號處理和學好其他課程有著共同的要求。下面是幾點特殊的要求： （1）特別要注意加深概念的理解，不要只停留在死記數學公式上； （2）通過應用來加深理解和記憶； 特別希望大家在學習的過程中一定要重視利用MATLAB來完成實際的信號處理任務。 （3）打好基礎，循序漸進； （4）盡可能的多看一些國外的教科書及有關文獻 1 S J. Orfanids. Introduction to Signal Processing. 1996; 清華大學出版社，1999 2 S K Mitra. Digital Signal Processing: A Computer Based Approach . 2001， 清華大學出版社，2001 3 Proakis J.G. Introduction to Digital Signal Processing. 1988參考書有關期刊1. I EEE Trans. on Signal Processing;2. I EEE Trans. o