數字信號處理（DSP）及應用-------------------概論數字信號處理概論1.1

數字信號處理概論1.2信號、系統和信號處理1.3數字信號處理系統的基本組成1.4數字信號處理的學科概貌1.5數字信號處理的特點1.6數字信號處理的應用

數字信號處理（DSP）及應用概論1.1

數字信號處理概論數字信號處理（DSP，digitalsignalprocessing）是從20世紀6O年代以來，隨著信息學科和計算機學科的高速發展而迅速發展起來的一門新興學科。它的重要性日益在各個領域的應用中表現出來。

簡言之，數字信號處理是把信號用數字或符號表示的序列，通過計算機或通用（專用）信號處理設備，用數字的數值計算方法處理（例如濾波、變換、壓縮、增強、估計、識別等），以達到提取有用信息便于應用的目的。

數字信號處理（DSP）及應用----概論2）一維信號、二維信號、矢量信號：

信號的變量可以是時間，也可以是頻率、空間或其他的物理量。若信號是一個變量（例如時間）的函數，則稱為一維信號；如圖1.“away”語音；2.“ooo”語音；3.虎鯨4.256hz聲音；5.腦電圖；6.風。數字信號處理（DSP）及應用----概論若信號是兩個變量（例如空間坐標x，y）的函數，則稱為二維信號；若信號是多個（例如M個，M＞2）變量的函數，則稱為多維（M維）信號。數字信號處理（DSP）及應用----概論

（2）周期信號和非周期信號：若信號滿足x（t）=x（t＋kT），k為正整數；或x（n）=x（n＋kN），k，N皆為正整數，n＋kN為任意整數，則x（t）和x（n）都是周期信號，周期分別為T和N；否則就是非周期信號。

數字信號處理（DSP）及應用----概論（5）連續時間信號、離散時間信號和數字信號：變量的取值方式有連續與離散兩種。若變量（一般都看成時間）是連續的，則稱為連續時間信號；若變量是離散數值，則稱為離散時間信號。信號幅值的取值方式又分為連續與離散兩種方式（幅值的離散稱之為量化），因此，組合起來應該有以下四種情況：

①連續時間信號：時間是連續的，幅值可以是連續的也可以是離散（量化）的。

②模擬信號：時間是連續的，幅值是連續的，這是上一種信號的特例。

③離散時間信號（或稱序列）：時間是離散的，幅值是連續的。

④數字信號：時間是離散的，幅值是量化的。由于幅值是量化的，故數字信號可用一序列的數來表示，而每個數又可表示為二進制碼的形式。

數字信號處理（DSP）及應用----概論3．信號處理

信號處理是研究用系統對含有信息的信號進行處理（變換），以獲得人們所希望的信號，從而達到提取信息、便于利用的一門學科。信號處理的內容包括濾波、變換、檢測、譜分析、估計、壓縮、識別等一系列的加工處理。

隨著大規模集成電路以及數字計算機的飛速發展，加之從60年代未以來數字信號處理理論和技術的成熟和完善，用數字方法來處理信號，即數字信號處理，己逐漸取代模擬信號處理。

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三、數字信號處理的學科概貌

自從1965年庫利（Cooley）和圖基（Tukey）在《計算數學》（《MathematicsofComputation》上發表了“用機器計算復序列傅里葉級數的一種算法”即“快速傅里葉變換算法”以來，數字信號處理這一學科蓬勃發展，逐漸形成了一整套較為完整的學科領域和理論體系。數字信號處理（DSP）及應用----概論

四、數字信號處理的特點

數字信號處理系統具有以下一些明顯的優點：（1）精度高：模擬網絡的精度由元器件決定，模擬元器件的精度很難達到10-3以上，而數字系統只要14位字長就可達到10-4的精度。在高精度系統中，有時只能采用數字系統。（2）靈活性高：數字系統的性能主要由乘法器的系數決定，而系數是存放在系數存儲器中的，因而只需改變存儲的系數就可得到不同的系統，比改變模擬系統方便得多。（3）可靠性強：因為數字系統只有兩個信號電平“0”和“1”，因而受周圍環境的溫度及噪聲的影響較小。而模擬系統的各元器件都有一定的溫度系數，且電平是連續變化的，易受溫度、噪聲、電磁感應等的影響。數字系統如采用大規模集成電路，其可靠性就更高。（4）容易大規模集成：由于數字部件具有高度規范性，便于大規模集成、大規模生產，電感器、電容器的數值、體積和重量都非常大，性能也不能達到要求，

數字信號處理（DSP）及應用----概論（5）時分復用：時分復用就是利用數字信號處理器同時處理幾個通道的信號，其系統的方框圖見圖皿。由于某一路信號的相鄰兩抽樣值之間存在著很大的空隙時間，因而可在同步器的控制下，在此時間空隙中送人其他路的信號，而各路信號則利用同一個信號處理器，后者在同步器的控制下，算完一路信號后再算另一路信號。處理器的運算速度越高，能處理的信道數目也就越多。

（6）可獲得高性能指標：例如對信號進行頻譜分析，模擬頻譜儀在頻率低端只能分析到10Hz以上的頻率，且難以做到高分辨率（足夠窄的帶寬）；但在數字譜分析中，已能做到10-3Hz的譜分析。又如，有限長沖激響應數字濾波器可實現準確的線性相位特性，這在模擬系統中是很難達到的。（7）維與多維處理：利用龐大的存儲單元可以存儲一幀或數幀圖像信號，實現二維甚至多維信號的處理，包括二維或多維濾波、二維或多維譜分析等。

由于數字信號處理的突出優點，使得它在通信、語音、雷達、地震測報、聲吶、遙感、生物醫學、電視、儀器中得到愈來愈廣泛的應用。

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五、數字信號處理的應用

（1）濾波與變換：包括數字濾波／卷積、相關、快速傅里葉變換（FFT）、希爾伯特（Hilbert）變換、自適應濾波、加窗法等。

（2）通信：包括自適應差分脈碼調制、自適應脈碼調制、脈碼調制、差分脈碼調制、增量調制、自適應均衡、糾錯、數字公用交換、信道復用、移動電話、調制解調器、數據或數字信號的加密、破譯密碼、擴頻技術、通信制式的轉換、衛星通信、TDMA／FDMA／CDMA等

各種通信制式、回波對消、IP電話、軟件無線電等。

（3）語音、語言：包括語音郵件、語音聲碼器、語音壓縮、數字錄音系統、語音識別、語音合成、語音增強、文本語音變換、神經網絡等。

（4）圖像、圖形：包括囪像壓縮、圖像增強、圖像復原、圖像重建、圖像變換、圖像分割與描繪、模式識別、計算機視覺、固態處理、電子地圖、電子出版、動畫等。

1．6數字信號處理的實現方法（1）在通用的微型計算機上用軟件實現。軟件可以是自己編寫的，也可使用現成的軟件包。這種方法的缺點是速度太慢，不能用于實時系統，只能用于教學與仿真研究。如近年發展迅速的MATLAB，就幾乎可以實現所有數字信號處理的仿真。而且MATLAB下的部分仿真程序還可以轉化為C語言，再通過DSP的C編譯器直接在DSP硬件上運行。這對非實時系統或準實時系統來說是很有吸引力的。（2）用單片機來實現，單片機一直在不斷地發展，如Iniei96000的運算速度就非常可觀，而且單片機的接口性能比較好，容易實現人機接口。但由于單片機采用的是馮·諾依曼總線結構，所以單片機系統復雜，尤其是乘法運算速度慢，在運算量大的實時控制系統中很難有所作為。（3）利用專門用于信號處理的可編程DSP芯片來實現。與單片機相比，DSP有著更適合于數字信號處理的優點。如采用改進的哈佛總線結構，內部有硬件乘法器和累加器，使用流水線結構，具有良好的并行特性，并有專門設計的適于數字信號處理的指令系統等。DSP芯片的這些特點對不允許延遲的實時應用領域，如蜂窩電話、計算機驅動器等非常理想。閨此，可以說，DSP芯片的問世及飛速發展，為信號處理技術應用于工程實際提供了可能。數字信號處理（DSP）及應用----概論（4）利用特殊用途的DSP芯片實現。現在國際上已推出了不少專門用于FFT、FIR濾波、卷積等的專用芯片，如TDeI028可以實現FIR濾波器和相關運算。美國INMOS公司推出的IMSAI00芯片，可以完成FIR、FFT、相關、卷積等運算，可以在2ms內完成1024點復數FFT運算。（5）用FPGA等可編程陣列產品開發ASIC芯片實現數字信號處理算法。由于FPGA產品的發展，人們可以利用Altera（Altera公司的FPGA產品為FLEX6000，FLEX8000以及F1，EXI0K，我們習慣上把它們稱為FPGA，其實產品結構與FPGA有一定的差別）和Xilinx等公司提供