1、數字信號處理數字信號處理 dsp （digital signal processing）數字信號處理器數字信號處理器 dsp（digital signal processor）前續課程：高等數學、信號與系統前續課程：高等數學、信號與系統后續課程：隨機信號分析、語音信號處理、圖像信號后續課程：隨機信號分析、語音信號處理、圖像信號 處理、自適應信號處理、現代信號處理處理、自適應信號處理、現代信號處理基本信息基本信息 教教 材材: 數字信號處理數字信號處理 趙春暉趙春暉 電子工業出版社電子工業出版社 參考教材：參考教材：1. 數字信號處理數字信號處理 程佩青程佩青 清華大學出版社清華大學出版社 2.

2、 數字信號處理數字信號處理 丁玉美丁玉美 西安電子科技大學出版社西安電子科技大學出版社 3. discrete time signal processing alan v.oppenheim 4. 數字信號處理數字信號處理-使用使用matlab實現實現 劉樹棠譯劉樹棠譯 西安交通大學出版社西安交通大學出版社基本信息基本信息 信號與系統的基本思想信號與系統的基本思想 信號的分解，響應的疊加信號的分解，響應的疊加緒緒 論論 信號、系統與信號處理信號、系統與信號處理數字信號處理系統的基本組成數字信號處理系統的基本組成數字信號處理的特點數字信號處理的特點數字信號處理的應用數字信號處理的應用一、一、信號

3、、系統與信號處理信號、系統與信號處理1. 信息科學：信息科學：是研究信息的獲取、傳輸、處理和利是研究信息的獲取、傳輸、處理和利用的一門科學。用的一門科學。 2. 信號是信息的表現形式。信號是信息的表現形式。 信息是信號所含有的具體內容。信息是信號所含有的具體內容。3. 信號的分類信號的分類 依載體：電信號、磁信號、聲信號、光信號、熱信號、依載體：電信號、磁信號、聲信號、光信號、熱信號、機械信號等。機械信號等。 依變量個數：一維、二維、多維（矢量）信號。依變量個數：一維、二維、多維（矢量）信號。 依是否為確定函數：確定信號；隨機信號。依是否為確定函數：確定信號；隨機信號。 依能量或功率是否有限：

4、能量信號；功率信號。依能量或功率是否有限：能量信號；功率信號。 依時間函數取值是否連續：連續時間信號；離散時間信號依時間函數取值是否連續：連續時間信號；離散時間信號 依周期性：周期信號依周期性：周期信號 、 非周期信號。非周期信號。 x tx tkt 連續時間信號連續時間信號 用用 t 表示連續時間變量，連續時間信號存在的時間范圍表示連續時間變量，連續時間信號存在的時間范圍內，任意時刻都有定義（可以有有限個間斷點）。內，任意時刻都有定義（可以有有限個間斷點）。 離散時間信號離散時間信號用用 n 表示離散時間變量，離散時間信號在時間上是離散表示離散時間變量，離散時間信號在時間上是離散的，只在某些

5、不連續的規定瞬時給出函數值，其他時間沒的，只在某些不連續的規定瞬時給出函數值，其他時間沒有定義。有定義。離散時間信號：抽樣信號（時間離散，幅值連續）離散時間信號：抽樣信號（時間離散，幅值連續） 數字信號（時間和幅值都離散）數字信號（時間和幅值都離散）x(n)nx(t)t 連續時間信號：模擬信號連續時間信號：模擬信號(時間和幅值都連續時間和幅值都連續) 信號形式的變換：信號形式的變換：模擬信號模擬信號離散信號離散信號數字信號數字信號平滑濾波平滑濾波抽樣抽樣a/d變換量化變換量化d/a變換變換x(t)tx(n)nx(n)n（數字量（數字量16位位2進制進制pcm碼表示，如）碼表示，如）101101

6、1110101011離散時間信號的數字化離散時間信號的數字化(a) 連續時間信號連續時間信號(b) 抽樣信號抽樣信號(c) 數字信號數字信號股票指數：股票指數：人口統計：人口統計：離散時間信號舉例離散時間信號舉例溫度測量：溫度測量：離散時間信號舉例離散時間信號舉例 醫學測量信號：醫學測量信號： eeg - electroencephola-graph腦電圖腦電圖 ecg electrocardiograph 心電圖心電圖 音樂信號：音樂信號： digital music： cd、md、mp3 圖像信號：圖像信號： digital camera images離散時間信號舉例離散時間信號舉例4.4

7、.信號處理信號處理（信號分析的核心問題（信號分析的核心問題：從信號中獲取信息）從信號中獲取信息） 信號處理的兩種基本處理方法信號處理的兩種基本處理方法：（1 1）信號形式變化，以便獲取更多信息或適于傳輸；）信號形式變化，以便獲取更多信息或適于傳輸；（2 2）濾除信號無用成分，突出有用成分，以便取得有用信息）濾除信號無用成分，突出有用成分，以便取得有用信息。 濾波、分析濾波、分析 壓縮、調制、解調等壓縮、調制、解調等信號處理都可以看作信號通過系統的問題。信號處理都可以看作信號通過系統的問題。 信號處理信號處理系統設計系統設計信號反演信號反演 x t、 h t y t x t h t y t、 h

8、 t x t y t、三個著名的三個著名的dsp實驗室：實驗室： bell實驗室、實驗室、ibm的的watson實驗室、實驗室、mit的的lincoln實驗室。實驗室。數字信號處理：數字信號處理：用數值計算方法對數字序列進行各種用數值計算方法對數字序列進行各種 處理，處理，把信號變換成符合需要的某種形式。把信號變換成符合需要的某種形式。 理論基礎（經典數值計算理論基礎（經典數值計算oror計算數學）：計算數學）：17th -18th century 17th -18th century 中葉中葉dspdsp獨立學科的形成：獨立學科的形成：20th century 4020th century

9、405050年代；年代；fftfft對對dspdsp迅速發展起了極大的推動作用：迅速發展起了極大的推動作用： 19651965年，年，j.w.cooley & j.w.tukeyj.w.cooley & j.w.tukey提出了提出了fftfft，很快得到廣泛應用；，很快得到廣泛應用；數字濾波器（數字濾波器（digital filterdigital filter）設計方法的研究）設計方法的研究 是是dspdsp迅速發展的另一個標志，迅速發展的另一個標志，4040年代年代6060年代中期，形成了完整的年代中期，形成了完整的理論基礎（理論基礎（fir & iirfir & iir）；）；數字信號

10、處理學科的發展數字信號處理學科的發展xa(n)x(n) xa(t)y(n)ya(t)ya(n)說明：說明：（1）自然界中大量的信號是模擬信號，所以數字信號處理系統一般輸入為模擬信號）自然界中大量的信號是模擬信號，所以數字信號處理系統一般輸入為模擬信號（2）模擬信號）模擬信號xa(t)經過抽樣處理得到離散信號經過抽樣處理得到離散信號xa(n)，再經，再經a/d量化得數字信號量化得數字信號x(n) ， 輸入數字處理單元。輸入數字處理單元。（3）經數字處理單元輸入數字信號）經數字處理單元輸入數字信號x(n)變換成輸出數字信號變換成輸出數字信號y(n) 。（4）輸出數字信號）輸出數字信號y(n) 經過

11、經過d/a變換和平滑濾波得模擬信號變換和平滑濾波得模擬信號ya(t)輸出。輸出。二、數字二、數字信號處理系統的基本組成信號處理系統的基本組成前置前置濾波器濾波器 a/d 變換器變換器 數字信號數字信號 處理器處理器 d/a 變換器變換器 模擬模擬濾波器濾波器(1) 在通用的計算機上用軟件（如在通用的計算機上用軟件（如fortran、c語言）實現；語言）實現； 速度較慢，一般可用于速度較慢，一般可用于dsp算法的模擬算法的模擬數字信號處理的實現方法（軟件和硬件實現）數字信號處理的實現方法（軟件和硬件實現）(2) 在通用計算機系統中加上專用的加速處理機實現；在通用計算機系統中加上專用的加速處理機實

12、現； 專用性強，不便于系統的獨立運行專用性強，不便于系統的獨立運行(3) 用通用的單片機（如用通用的單片機（如mcs-51、96系列等）實現。系列等）實現。 這種方法可用于一些不太復雜的數字信號處理，如數字控制等；這種方法可用于一些不太復雜的數字信號處理，如數字控制等；只適用于實現簡單的只適用于實現簡單的dsp算法算法(4) 用通用的可編程用通用的可編程dsp芯片實現。芯片實現。 與單片機相比，與單片機相比，dsp芯片具有更加適合于數字信號處理的軟件和硬芯片具有更加適合于數字信號處理的軟件和硬件資源，可用于復雜的數字信號處理算法；件資源，可用于復雜的數字信號處理算法；應用較多應用較多三、數字信

13、號處理的特點三、數字信號處理的特點優點優點（1）精度高：）精度高： 模擬系統中精度只能達模擬系統中精度只能達 10-3 ， 數字系統精度可達數字系統精度可達10-5 ，甚至更高。，甚至更高。（2）可靠性高：）可靠性高： 模擬系統信號容易受干擾，產生失真；模擬系統信號容易受干擾，產生失真； 二進制的數字信號在傳輸、存儲、處理中不容易丟失信息。二進制的數字信號在傳輸、存儲、處理中不容易丟失信息。（3）靈活性強：）靈活性強： 模擬系統改變特性一般要改變元件值、或改變電路連接，較困難；模擬系統改變特性一般要改變元件值、或改變電路連接，較困難； 數字系統通過修改軟件參數，或運行不同的程序模塊就能做不同處

14、理數字系統通過修改軟件參數，或運行不同的程序模塊就能做不同處理（4）數字電路容易實現大規模集成電路；）數字電路容易實現大規模集成電路；（5）數字系統可獲得高性能指標；）數字系統可獲得高性能指標；（6）能夠進行多維信號處理。）能夠進行多維信號處理。三、數字信號處理的特點三、數字信號處理的特點缺點缺點（1 1）硬件）硬件系統結構復雜：需要模擬接口以及比較復雜的數字系統；系統結構復雜：需要模擬接口以及比較復雜的數字系統；（2 2）處理速度相對較慢：）處理速度相對較慢：應用的頻率范圍受到限制，主要是應用的頻率范圍受到限制，主要是受受a/da/d轉換的轉換的采樣頻率的限制；采樣頻率的限制；（3）價格相對

15、昂貴，系統）價格相對昂貴，系統的功率消耗比較大：數字信號處理系統中集成的功率消耗比較大：數字信號處理系統中集成了幾十萬甚至更多的晶體管，而模擬信號處理系統中大量使用的是電阻、了幾十萬甚至更多的晶體管，而模擬信號處理系統中大量使用的是電阻、電容、電感等無源器件，隨著系統的復雜性增加這一矛盾會更加突出。電容、電感等無源器件，隨著系統的復雜性增加這一矛盾會更加突出。digital media processingwebpadtelematicswireless devices:802.11, bluetooth, othersenhanced gamingmilitary and government cellular, secure connectivityindustry-specific pdasbiometricsmedical devices四、數字信號處理的應用四、數字信號處理的應用數字通信數字通信電子測量電子測量遙感遙測遙感遙測生物醫學工程生物醫學工程數字圖象技術數字圖象技術震動分析震動分析1.濾波濾波選頻濾波選頻濾波 e.g.:多正弦信號：多正弦信號：2. 信號預測信號預測的值。預測從1 ,1