CHAPTER1INTRODUCTION1.什么是數字信號

2.什么是數字信號處理

1.3.Realizationofdigitalsignalprocessing1.4.Characterofdigitalsignalprocessing

1.5.Applicationofdigitalsignalprocessing1.6.Threepartsofthiscourse11.1什么是數字信號信息是客觀世界中各種事物的狀態和特征的反映，是消息中包含的有意義的內容。我們把信息的載體和表現形式稱為信號。表示成V(t),x(t),orf(x,y).信號的分類:電信號、磁信號、聲音信號、光信號、機械信號和熱信號等；一維、二維和多維信號；周期信號和非周期信號；確定信號和隨機信號;

根據表示信號的函數的形式，即自變量和函數（信號幅值）的取值是連續數值還是離散數值分成連續時間信號、離散時間信號、模擬信號和數字信號。自變量和幅值均連續的信號稱為模擬信號；自變量和幅度均離散的信號稱為數字信號；自變量連續而幅值連續或離散的信號統稱為連續時間信號；自變量離散而幅值連續或離散的信號統稱為離散時間信號。2連續型數值離散型數值3x(t)x[n]自變量不一定是時間4自然界產生的信號一般都是模擬信號，數字信號由數字設備直接產生或從模擬信號轉換得到，稱為模數轉換（AD：AnalogtoDigital）。在某些情況下，還需要將數字信號轉換成模擬信號，稱為數模轉換（DA：DigitaltoAnalog）。5（4）CD光盤：數字和模擬聲音信號舉例數字記錄聲帶等震動麥克風的電壓變化模擬記錄（1）磁帶：（2）乙烯樹脂唱片：（3）磁盤：用磁性強弱記錄用密布的波狀溝紋記錄用微粒被吸引至兩個方向之一記錄0和1用鋁層表面的凹凸不平記錄0和1串模擬信號數字信號氣壓變化和傳播62WhatisdigitalsignalprocessingContinuous-timesystemsaresystemsforwhichbothinputandoutputarecontinuous-timesignals.Discrete-timesystemsarethoseforwhichbothinputandoutputarediscrete-timesignals.Digitalsystemsarethoseforwhichbothinputandoutputaredigitalsignals.Digitalsignalprocessingdealswiththetransformationofsignalsthatarediscreteinbothamplitudeandtime.Itsessentialisoperationofadding,multiplying,anddelaying.7signalflowgraphofadiscrete-timelowpassfilter(a>0)DifferenceequationisHardwareofacontinuous-timelowpassfilter82Dlowpassfilter2Dhighpassfilter9原始圖像低通濾波后高通濾波后

9*9的摸板103.hardwareandsoftware1.3implementationofdigitalsignalprocessing1.software2.hardwareflexible;slowlyFast,small;noflexibilityfast，flexibleSCM(SingleChipMicrocomputer

)FPGAprogrammableDSPchip（digitalsignalprocessor）11采用改進的哈佛總線結構；有硬件乘法器；使用流水線結構；有片內內存；有一套專為數字信號處理設計的尋址方式和指令系統；多芯片并行運行。Characterofdigitalsignalprocessor12CPU存儲器（數據和指令）數據總線地址總線馮?諾依曼結構CPU程序存儲器（或CACHE）數據存儲器數據總線數據總線地址總線地址總線哈佛結構（改進型）13 TI：定點TMS320C1X,TMS320C2X/C2XX,TMS320C5X/C54X,TMS320C62XX

浮點TMS320C3X/C4X/C8X/C67XX。ADI:定點ADSP21XX；浮點ADSP21XXX AT&T:定點DSP16,DSP16A,DSP16C,DSP1610,DSP1616； 浮點DSP32,DSP32C,DSO3210

MOTOROLA:定點MC56000,MC56001,MC56002;浮點MC96002; 專用：MC56200,MC56156ExampleofprogrammableDSPchip14浮點與定點芯片的主要優劣比較類型動態范圍精度字長程序開發周期功耗速度價格浮點大高32位（可擴至40）短高慢高定點小低16位長低快低15Exampleofhardwareandsoftwarerealization16系統必須在有限的時間內對外部的輸入信號完成指定的處理，即信號處理的速度必須大于或等于信號更新的速度；從信號輸入到處理后信號輸出的延遲必須足夠小。Real-timeimplementation 算法復雜度 實時性取決于 數據量（采樣率） 設備的處理速度緩沖大小17例如：音頻信號的采樣及壓縮（DSP或CPU執行程序）分配乒乓（雙）緩沖或循環（多）緩沖，每個緩沖大小為一幀。采樣程序（中斷程序）采樣數據并放在乒緩沖內，壓縮程序壓縮乓緩沖內的數據。 如果乒緩沖被放滿前，乓緩沖的數據已被壓縮完并存入硬盤，則壓縮程序等待乒緩沖放滿，然后壓縮乒緩沖的數據，采樣程序繼續采樣并將數據放入乓緩沖。這就是實時處理。如果處理速度低于采樣速度，則當乒緩沖被放滿時，乓緩沖的數據還未被壓縮完，采樣程序就要等待壓縮程序，即采樣的數據丟掉不存，這就是不能達到實時處理。設采樣率48KHz，幀長為1152個采樣點。則采樣一幀的時間為1152/48k=24ms，所以壓縮一幀的時間須小于24ms

延時=采樣時間+處理時間。又如：音頻信號的解壓及回放解壓后的數據幀和正在回放的數據幀分別放在乒乓緩沖中。解壓程序速度必須高于回放速度。

181.4Characterofdigitalsignalprocessing(3)higherreliability(1)higherprecision(2)higherflexibility(6)moreprocessabilities：losslesscompression,linearphase,ErrorCorrectionEncoding,regenerativerepeater（中繼再生）

(4)cheaper(5)predictability19數字基帶信號和2FSK調制信號

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DTV ATV信源編碼 MPEG2 PAL/NTSC/SECAM傳輸與接收 數字 模擬主觀質量 接近演播室 無法達到SDTV效果 只與壓縮有關 受環境影響 先進的傳輸技術（信道編碼、 調制、再生）去除環境影響 （例如多徑干擾）資源 節省功率（只10%）和頻帶 有禁用頻道，臨近頻道 一個模擬頻道傳4路SDTV不能用，2個頻道傳1（或1路HDTV) 路節目

功能 環繞聲； 單聲道/立體聲； 可傳數據（菜單等文字信 只能在消隱期傳少量數息）；觀眾可自由選擇節目據；的視頻點播（VOD）；可移不能移動動轉播 舉例數字電視的優勢21(1)數據量大，壓縮很關鍵而MP3僅為128kbps=16k字節/S，壓縮比12：1，雙聲道需存儲空間1M/分鐘假設用48kHz、16bit來進行立體聲采樣比特率為：48000*16*2/8=192K字節/S一個漢字在電腦里占用兩個字節，192K字節可以存儲9.6萬個漢字（一部中篇小說）。

未壓縮的視頻信號數據量640*480*24幀/秒=27Mbyte/s(2)版權、認證數字化產生的問題22在安靜的環境下，某一頻率的聲音剛好能被聽見的強度，體現出人耳對不同頻率的敏感程度不同。有損音頻壓縮原理簡介音頻壓縮分：無損壓縮和有損壓縮有損音頻壓縮技術除了去除音頻信號的客觀冗余以外，還利用了人耳的聽覺特性去除信號的主觀冗余，以達到提高壓縮比的目的。23頻率掩蔽現象：某一頻率的聲音的存在，使其鄰近頻率的聲音必須遠高于靜態掩蔽值才能被聽到。前者稱掩蔽音(masking

tone)，后者稱被掩蔽音(masked

tone)。24時間掩蔽現象：當某一較強的聲音（掩蔽音）停止后，與其鄰近頻率的另一較弱的聲音（被掩蔽音）要過一段時間才能被聽見。時間掩蔽曲線表示掩蔽音停止后過一段時間，被掩蔽音能被聽見的強度閾值。25壓縮的基本途徑：心理聲學模型得到信號的頻域掩蔽曲線，若某頻率處信號的強度低于該頻率處的掩蔽閾值，則不能被人耳感受，可以去除；另外對于不能去除的頻率成分，對其進行量化以減少編碼比特，其中選擇量化階的依據就是使量化噪聲低于掩蔽閾值，使人耳感覺不到，另外huffman等熵編碼（無損）也能進一步提高壓縮比。MPEG-1layer3編碼器框圖PCM音頻分析子帶濾波MDCT失真控制循環和非歸一化量化控制循環霍夫曼編碼格式化和CRC心理聲學模型邊信息編碼MP3碼流26LSB水印簡介27(F)archaeology1.5Applicationofdigitalsignalprocessing

(A)communications(B)entertainment(C)medicine(D)military(E)exploration28DAT（數字磁帶錄音機）CDMD（迷你唱片）MP3播放機VCD播放機DVD播放機數碼相機數碼攝像機數碼掃描儀PDA數字手