DSP預備知識課程目標了解數字信號處理的基本概念和原理。掌握數字信號處理的常用算法和技術。學習使用DSP芯片和軟件進行信號處理。什么是DSP數字信號處理（DSP）是一種使用數字信號處理器（DSP）來處理模擬信號的技術。它涵蓋了對模擬信號的數字化、分析、處理和轉換等操作。DSP技術在各種領域都有廣泛應用，包括音頻和視頻處理、通信、醫療設備、汽車電子、工業自動化等。DSP的發展歷程120世紀60年代數字信號處理的早期220世紀70年代快速傅里葉變換的應用320世紀80年代專用DSP芯片的出現420世紀90年代數字信號處理技術的廣泛應用521世紀移動通信，無線通信，圖像處理等領域數字信號處理的基本概念離散時間信號在特定時間點采樣的連續信號。數字系統對離散時間信號進行處理的系統。數字濾波器對數字信號進行頻域處理的系統。采樣定理確保信號能夠被準確地重建的采樣頻率條件。采樣和量化1采樣將連續時間信號轉換成離散時間信號的過程。2量化將離散時間信號的幅值轉換為有限個離散值的離散化過程。離散時間信號和系統1離散時間信號在特定時間點采樣的連續信號。2離散時間系統處理離散時間信號并生成新的離散時間信號。3信號表示離散時間信號通常用序列表示，例如x[n]。4系統特性線性、時不變、因果、穩定性等。Z變換頻域分析將離散時間信號轉換為復頻域表示，便于分析和處理。系統響應用于確定系統的頻率響應和穩定性，幫助理解系統對不同頻率信號的反應。數字濾波器設計在數字濾波器設計中，Z變換用于分析和設計各種濾波器，例如低通濾波器、高通濾波器等。離散傅里葉變換定義將離散時間信號從時域變換到頻域的數學工具，用于分析和處理信號的頻率成分。公式通過對離散時間信號進行有限次加權求和，得到其在不同頻率上的幅度和相位信息。應用廣泛應用于音頻信號處理、圖像壓縮、無線通信等領域，用于頻率分析、濾波、壓縮等。快速傅里葉變換高效計算快速傅里葉變換(FFT)是一個快速算法，用于計算離散傅里葉變換(DFT)。降低復雜度FFT將DFT的計算復雜度從O(N^2)降低到O(NlogN)，顯著提高了效率。廣泛應用FFT在信號處理、圖像處理、通信、語音識別等領域有著廣泛的應用。線性時不變系統線性系統滿足疊加原理和比例性時不變系統的特性不隨時間變化重要性許多實際系統都可以近似為線性時不變系統差分方程和卷積差分方程差分方程是描述離散時間系統的一種方法，它用當前輸出和過去輸出的線性組合來表示當前輸入。卷積卷積是信號處理中的一種重要運算，它用于將兩個信號進行組合，以產生一個新的信號，該信號反映了兩個信號的相互作用。頻域分析1頻率分布信號的頻域分析是指將時域信號分解為不同頻率成分的過程，以了解信號中各個頻率成分的分布和強度。2頻率譜通過頻域分析得到的頻率成分及其幅度和相位的信息，稱為信號的頻率譜。3系統特性頻域分析可以揭示系統的頻率響應特性，例如系統的截止頻率、通帶和阻帶等。數字濾波器的類型IIR濾波器無限脈沖響應濾波器，利用反饋機制，實現高階濾波特性。FIR濾波器有限脈沖響應濾波器，僅使用當前和過去的輸入信號進行運算，具有線性相位特性。IIR數字濾波器遞歸結構IIR濾波器使用當前輸入樣本和先前輸出樣本的線性組合來計算當前輸出樣本。無限沖激響應IIR濾波器的單位沖激響應在時間上是無限持續的，這意味著它們會對輸入信號的過去值保持響應。高效率與FIR濾波器相比，IIR濾波器通常更有效，需要更少的計算資源。相位失真IIR濾波器可能會引入非線性相位失真，這在一些應用中可能不可取。FIR數字濾波器有限脈沖響應FIR濾波器使用有限數量的采樣點來計算輸出，因此其脈沖響應是有限的。線性相位FIR濾波器可以設計為具有線性相位，這意味著它們不會扭曲信號的相位。頻率響應FIR濾波器具有靈活的頻率響應，可以根據需要設計來過濾特定頻率范圍。窗函數抑制頻譜泄漏窗函數用于平滑信號的起始和結束點，減少頻譜泄漏。改善頻率分辨率窗函數可以提高數字濾波器的性能，改善頻率分辨率。不同窗函數特性常用的窗函數包括矩形窗、漢寧窗、海明窗等，各有優缺點。數字濾波器的設計1濾波器規格確定截止頻率、通帶/阻帶衰減等2濾波器類型選擇IIR或FIR，考慮復雜度和性能3濾波器系數計算使用設計工具或算法得到系數4實現和驗證將系數應用于DSP代碼，并進行測試數模轉換器和模數轉換器數模轉換器(DAC)將數字信號轉換為模擬信號。模數轉換器(ADC)將模擬信號轉換為數字信號。DSP芯片的結構DSP芯片通常包含以下核心組件：中央處理器（CPU）：負責執行指令和控制數據流。數據存儲器：存儲數據和程序代碼。數據通路：連接各個組件，用于數據傳輸。專用硬件加速器：用于加速特定信號處理任務，例如快速傅里葉變換（FFT）或卷積運算。外設接口：用于與外部設備通信，例如ADC/DAC、串行通信接口等。DSP編程基礎1匯編語言DSP編程通常使用匯編語言，以最大限度地提高效率和性能。2C語言C語言也是一個常用的DSP編程語言，提供更高的抽象級別。3庫函數DSP芯片供應商通常提供專門的庫函數，用于簡化常見的信號處理任務。內存訪問和尋址模式直接尋址CPU直接訪問內存地址，例如將數據存儲到特定地址。間接尋址CPU使用寄存器中存儲的地址訪問內存，例如通過寄存器指向的地址讀取數據。索引尋址CPU根據寄存器值計算內存地址，例如將寄存器值與一個偏移量相加，得到目標地址。指令集架構指令集概述指令集是DSP處理器理解的語言，它定義了一組指令，這些指令可以由處理器執行以完成特定的操作，例如數據加減、內存訪問或邏輯運算。不同類型的指令DSP指令集通常包括算術指令、邏輯指令、內存訪問指令、控制流指令和特殊功能指令。中斷處理中斷服務程序中斷服務程序（ISR）是響應中斷的特定代碼段，負責處理中斷事件。中斷向量表中斷向量表是一個包含所有中斷服務程序地址的表格，用于快速跳轉到相應的ISR。中斷優先級中斷優先級用于確定多個中斷發生時，哪個中斷應該優先處理。中斷使能和禁止中斷使能和禁止控制著系統是否允許中斷的發生，并控制中斷處理的流程。定時器和計數器定時器用于測量時間間隔或延遲。計數器用于計數事件發生的次數。串行通信接口1數據傳輸方式串行通信是指數據一位一位地傳輸，適用于遠距離通信。2異步通信異步通信使用起始位和停止位來同步數據傳輸，不需要時鐘信號。3同步通信同步通信使用時鐘信號同步數據傳輸，效率更高，但也更復雜。ADC和DAC接口ADC將模擬信號轉換為數字信號，使DSP能夠處理真實世界的數據。DAC將數字信號轉換為模擬信號，使DSP能夠控制外部設備或生成模擬輸出。ADC和DAC接口是DSP與模擬世界交互的關鍵橋梁，為各種應用提供了可能性。DSP應用案例分享本課程將介紹一些常見的DSP應用案例，例如：-語音識別：-語音助手-智能家居-語音搜索-圖像處理：-圖像壓縮-圖像增強-圖像識別-通信系統：-手機基站-無線網絡-數字電視-醫療設備：-心電圖儀-超聲波儀-