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1、S0105102Q 2013秋授课教师：马永奎电子与信息技术工程学院,数字信号处理,2023/7/30,1,上课及考核方式,本课程为必修课，期末采用闭卷考试,共计9周，36课时 其中讲授32学时，实验4学时,讲评课程设计,教材和参考书,离散时间信号处理，美A.V.奥本海姆，西安交通大学出版社.数字信号处理教程(第二版），数字信号处理习题解答，程佩青，清华大学出版社数字信号处理使用MATLAB,维纳.K.恩格尔 约翰.G.普罗克斯,刘树棠译，西安交通大学出版社.数字信号处理，M.H.海因斯，张建华等译，科学出版社,2023/7/30,3,助教信息,唐 舒：杨小龙：,2023/7/30,4,绪论,
2、2023/7/30,5,第一章 绪论,本章具有综述和概论的性质，内容比较广泛但不深入。本章是从数字信号处理整个学科领域的广度来介绍该学科的概貌，包括学科范围、发展历史和动态、实现方法和应用领域，而本书的内容仅涉及数字信号处理学科中的基础知识。,是20世纪60年代，随着信息学科和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。数字信号处理是把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数字的数值计算方法处理（例如：滤波、变换、增强、估计、识别等），达到提取有用信息便于应用的目的。,一 数字信号处理,什么是数字信号处理？,凡是利用
3、数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所进行的一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算。例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等。对于DSP:狭义理解可为Digital Signal Processor 数字信号处理器。广义理解可为Digital Signal Processing 译为数字信号处理技术。在此我们讨论的DSP的概念是指广义的理解。,二、信号、系统和信号处理（复习）,1.信号,信号是一种物理体现。在信号处理领域中，信号被定义为一个随机变化的物理量。例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这些真实世界的物理信号-电信号，经处理的电信号-传感器-真实世界的物理信号。如现实生活中最常见的
4、传感器是话筒、扬声器 话筒(将声压变化)-电压信号-空气压力信号(扬声器),（1）信号的最基本的参数,频率和幅度,3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航)甚低频30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)低频3003000kHz:Medium frequency(调幅广播)中频3-30MHz:High frequency(HF)(无线电爱好者，国际广播，军事通信 无绳电话，电报，传真)高频30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM,甚高频电视)0.33GHz:Ultra high frequency(U
5、HF)(UHF电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信)超高频频率低20Hz范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，能被感觉到。(处于VLF Very low frequency)甚低频频率20Hz20KHz称为声波,Low frequency(处于LF)低频频率20KHz称为超声波，具有方向性，可以成束(处于LF),（2）信号分类,同一种信号，如电信号，可从不同角度进行分类：,（a）一维信号、二维信号、矢量信号（b）周期信号和非周期信号（c）确定性信号和随机信号（d）能量信号和功率信号（e）连续信号、离散信号（f）模拟信号和数字信号,单词Away,256Hz 音叉信号,2023/7/30,
6、12,音频信号举例,数字滤波举例,2023/7/30,13,CEG基频,CE基频,C基频,和弦CEG,虎鲸的声音,2023/7/30,14,脑电图(EEG),音频信号举例,2023/7/30,15,黑白图像（二维信号）,图像信号举例,彩色图像（三通道二维信号）,2023/7/30,16,图像信号举例,黑白视频信号（三维信号）,2023/7/30,17,视频信号举例,彩色视频信号（三维三通道信号）,系统：处理信号的物理设备。或者说，凡是能将信号加以变换以达到人们要求的各种设备称之。系统分类：大小之分，一个大系统可细分为若干个小系统。实际上，因为系统是完成某种运算（操作）的，因而我们还可把软件编程
7、也看成一种系统的实现方法。,2、系统,（1）系统分类,按所处理的信号种类的不同可将系统分为四类：（a）连续时间系统（b）离散时间系统（c）模拟系统（d）数字系统,(1)信号处理的内容,滤波变换检测谱分析估计压缩识别 等一系列的加工处理。,2023/7/30,21,对于图像（二维信号），低频部分时指图像中变化缓慢的部分，高频部分对于边缘或突变部分。,数字滤波器是由一系列滤波器系数定义的，只需要简单改变滤波器系数就可以完成滤波器特性的修改。,高频噪声滤除：,数字滤波举例,（2）数字信号处理引入,多数科学和工程中遇到的是模拟信号。以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。模拟信号处理缺点：难以做到高精度
8、，受环境影响较大，可靠性差，且不灵活等。随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展，加之从60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。,抗混叠滤波器,A/D变换器,数字信号处理器,D/A变换器,抗镜像滤波器,模拟,xa(t),模拟,ya(t),x(n),y(n),数字信号处理系统的基本组成,采样量化,转换为模拟电平零阶保持,ADC,DAC,DSP,2023/7/30,23,2023/7/30,24,实际数字信号处理系统,实际系统并不一定要包括它的所有
9、框图。如有些系统只需数字输出，可直接以数字形式显示或打印，就不需要D/A变换器；另一些系统的输入就是数字量，因而就不需要A/D变换器；纯数字系统则只需要数字信号处理器这一核心即可。,四、数字信号处理的学科概貌,1.数字信号处理开端,在国际上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里叶变换(FFT)的问世，作为数字信号处理这一学科的开端。而它的历史可以追溯到17世纪-18世纪，也即牛顿和高斯的时代。,2.数字信号处理领域的理论基础,数字信号处理的基本工具：微积分，概率统计，随机过程，高等代数，数值分析，近代代数，复杂函数。数字信号处理的理论基础：离散线性变换(LSI)系统理论，离散
10、付里叶变换(DFT)。,3.“数字信号处理”又成为一些学科的理论基础,在学科发展上，数字信号处理又和最优控制，通信理论，故障诊断等紧紧相连，成为人工智能，模式识别，神经网络，数字通信等新兴学科的理论基础。,4、数字信号处理学科内容,信号的采集：包括A/D，D/A技术、抽样定理、量化噪声理论等离散信号分析：离散时间信号时域及频域分析、离散付里叶变换（DFT）理论离散系统分析 信号处理的快速算法:谱分析与快速付里叶变换（FFT），快速卷积与相关算法,2023/7/30,29,数字信号处理学科内容,滤波技术 信号的估计:各种估值理论、相关函数与功率谱估计信号的压缩:包括语音信号与图象信号的压缩信号的
11、建模:包括AR，MA，ARMA等各种模型其他特殊算法:同态处理、抽取与内插、信号重建等数字信号处理的实现数字信号处理的应用,2023/7/30,30,五、数字信号处理实现方法,1.采用大、中小型计算机和微机:工作站和微机上各厂家的数字信号软件，如有各种图象压缩和解压软件2.用单片机:可根据不同环境配不同单片机，其能达实时控制，但数据运算量不能太大,2023/7/30,31,数字信号处理实现方法,3.利用通用DSP芯片:DSP芯片较之单片机有着更为突出优点。如内部带有乘法器，累加器，采用流水线工作方式及并行结构，多总线速度快。配有适于信号处理的指令(如FFT指令)等。美国德州仪器公司Texas
12、Instrument（IT），Analog Devices，Lucent，Motorola，AT&T等公司都有生产4.利用特殊用途的DSP芯片:市场上推出专门用于FFT，FIR滤波器，卷积、相关等专用数字芯片。其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使用者只需给出输入数据，可在输出端直接得到数据,2023/7/30,32,用通用的可编程的数字信号处理器实现法是目前重要的数字信号处理实现方法，它即有硬件实现法实时的优点，又具有软件实现的灵活性优点,2023/7/30,33,2023/7/30,34,2023/7/30,35,红色是1GHz 苹果A5 处理器，512MB移动DRAM内存 橙色是Tos
13、hiba TH58NVG7D2FLA89 16GB 闪存式存储器 黄色是Apple 343S0542，类似一代产品上的Dialog Semi 电源配置芯片 蓝色是Texas Instruments CD3240B0 触控屏幕线驱动器 绿色是S6T2MLC N33C50V电源管理芯片,2023/7/30,36,六、数字信号处理的特点,与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有如下特点：,在模拟系统中，它的精度是由元件决定，模拟元器件的精度很难达到10-3以上。而数字系统中，17位字长就可达10-5精度，所以在高精度系统中，有时只能采用数字系统。,1、精度高2、可靠性高3、灵活性大4、易于大规模集成5
14、、时分复用6、可获得高性能指标7、二维与多维处理,数字系统：只有两个信号电平0，1受噪声及环境条件等影响小。模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受环境条件，如温度、振动、电磁感应等影响，产生杂散效应甚至振荡等 且数字系统采用大规模集成电路，其故障率远远小于采用众多分立元件构成的模拟系统。,数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且系数存放于系数存储器内，只需改变存储的系数，就可得到不同的系统，比改变模拟系统方便得多,数字部件：高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，对电路参数要求不严，故产品成品率高。例：(尤其)在低频信号：如地震波分析，需要过滤几Hz几十Hz的信号，用模拟系统处理其电感器、
15、电容器的数值，体积，重量非常大，且性能亦不能达到要求，而数字信号处理系统在这个频率处却非常优越(显示出体积，重量和性能的优点。,利用DSP同时处理几个通道的信号。某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙时间，因而在同步器的控制下，在此时间空隙中送入其他路的信号，而各路信号则利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信号后，再算另一路信号，因而处理器运算速度越高，能处理的信道数目也就越多。,例：对信号进行频谱分析模拟频谱仪在频率低端只能分析到10Hz以上频率，且难于做到高分辨率(也即足够窄的带宽)。但在数字的谱分析中,已能做到10-3Hz的谱分析。又例：有限长冲激响应数字滤波器，则可实现准
16、确的线性相位特性，这在模拟系统中是很难达到的。,利用庞大的存储单元，可以存储一帧或数帧图象信号，实现二维甚至多维信号包括二维或多维滤波，二维及多维谱分析等。,局限性,数字系统的速度还不算高，因而不能处理很高频率的信号。(因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理)另外，数字系统的设计和结构复杂，价格较高，对一些要求不高的应用来说，还不宜使用。,七、数字信号处理的应用领域,自20世纪60年代以来，数字信号处理的应用已成为一种明显的趋势，这与它突出优点分不开的。数字信号处理大致可分为：信号分析信号滤波,语音处理语音信号分析 语音合成 语音识别 语音增强语音编码 图像处理通信 电视 雷达,声纳 有源声纳信号
17、处理 无源声纳信号处理 地球物理学生物医学信号处理音乐其它领域,地球物理学生物医学信号处理音乐其它领域,DSP Solution,通信移动电话,2023/7/30,43,测试/测量医疗诊断,2023/7/30,44,军事应用雷达,2023/7/30,45,Digital Camera,Digital Camera,Home Theater,DVD(Digital Video Disc),GPS(Global Position System),Cruise missile,Smart bomb from F117,Pattern recognization,Fingerprint disting
18、uish,八、数字信号处理学科的发展历史,数字信号处理是一个古老的学科。数字信号处理又是一门新兴的学科50年代末期至60年代初期，数字计算机被用于信号处理的研究，这才是真正意义上的对数字信号进行处理的研究。数字信号处理技术的迅速发展是从20世纪60年代开始的，其主要标志是两项重大进展，即快速傅里叶变换(FFT)算法的提出和数字滤波器设计方法的完善。3个实验室：Bell实验室、IBM的Watson实验室和MIT的Lincoln实验室。,作业,1.写一篇综述文章，主要方面为DSP的技术、发展趋势、或在某一方面的研究，或是了解某一领域用DSP的前景等。要求按论文写作要求。有题目、作者、摘要、关键字、参考文献及外文摘要。上交时间为二个星期之后的今日。,
