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1、数字信号分析(Digital Signal Analysis),绪论,数字信号处理的发展,计算机的诞生，为信号的数字处理提供了实现的可能，50年代前期的研究工作1965年FFT的提出，是DSP发展的里程碑离散变换的进展：65年FFT，70年余弦变换，80年代中期小波变换滤波器设计技术：IIR、FIR数字滤波器，多采样处理和滤波器组理论统计和自适应信号处理，阵列处理等器件和系统,数字信号处理（Digital Signal Processing:DSP）教学的演变,1969年Rader和Gold第一本DSP书1975年Oppenheim&Schafer第一本教科书，主要面向研究生1989年Oppe
2、nheim&Schafer的离散时间信号处理（Discrete Time Signal Processing）出版，1999年修订版我国也出版了大量DSP教材内容的基本原理部分基本稳定，应用不断扩大从研究生进入本科生阶段，重要的专业基础课,教材和参考书,课程教材：丁玉美、高西全,数字信号处理（第二版），西安电子科技大学出版社,2005.主要参考教材：(1)程佩青著，数字信号处理教程（第三版），清华大学出版社,2007(2)S.K.Mitra,Digital Signal Processing:A Computer-Based Approach,Third Edition,Mcgraw-Hill
3、,2001(3)John G.Proakis,Dimitris G.Manolakis,Digital Signal Processing,Principles,Algorithms,and Applications,Fourth Edition,Prentice Hall,2007(4)John G.Proakis and Vinay K.Ingle,Digital Signal Processing Using MATLAB,2003.(5)胡广书，数字信号处理：理论、算法与实现，清华大学出版社，2003,DSP(Digital Signal Processing)是近几十年发展起来的一门
4、新兴学科。DSP是利用计算机或专用设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值、识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的的一门学科。,一、数字信号处理的基本概念,信号:信号是一个或多个独立变量的函数,该函数含有物理系统的信息 或表示物理系统状态或行为。(e.g.:i(t),v(t),g(x,y).独立变量:时间、距离、速度、位置、温度和压力等 信号分类（1）按独立变量（自变量）分；（2）按信号取值定义值域（因变量）分。按独立变量个数可分成：1-dimensional(1-D),2-D,to M-D.1-D 信号：单个独立变量的一维函数,e.g.语音信号。2-D 信号：两个独立
5、变量的二维函数,e.g.图象信号。M-D 信号：多个独立变量的多维函数,e.g.彩色视频信号(RGB)。波形:信号幅度随独立变量变化的函数，通常1-D 信号的独立变量 为时间。,1.信号概述,按独立变量连续性分：按独立变量定义域和信号值域可分成：连续时间信号、模拟信号、离散时间信号和数字信号 CTS、AS、DTS和DS（Continuous-Time SignalsAnalog Signals;Discrete-Time Signals Digital Signals）.连续时间信号(CTS)：独立时间变量连续有定义(e.g.,x(t)。离散时间信号(DTS)：独立时间变量在离散时间点有定义
6、x(nT)。模拟信号(AS)：独立时间变量连续有定义，且信号幅值连续有定义。数字信号(DS)：独立时间变量在离散时间点有定义、信号幅值仅 取离散值，且通常用二进制编码表示。,模拟信号和数字信号（Analog Signal and Digital Signal）,模拟信号：指幅度连续的信号，通常指 时间和幅度上都是连续的信号。数字信号：时间和幅度上都是离散的信 号。,x(t),t,x(tn),tn,x(n),n,采样,模数,保持,转换,二、数字信号处理系统的基本组成,前置预滤波器,A/D变换器,数字信号处理器,D/A变换器,模拟滤波器,模拟,Xa(t),PrF,ADC,DSP,DAC,PoF,模
7、拟,Ya(t),(1)前置滤波器：将输入信号xa(t)中高于某一频率(称折叠频率，等于抽样频率的一半)的分量加以滤除。(2)A/D变换器：由模拟信号产生一个二进制流。在A/D变换器中每隔T秒(抽样周期)取出一次xa(t)的幅度，抽样后的信号称为离散信号。(3)数字信号处理器(DSP)：按照预定要求，在处理器中将信号序列x(n)进行加工处理得到输出信号y(n).,(4)D/A变换器：由一个进制流产生一个阶梯波形，是形成模拟信号的第一步。(5)后置滤波器：把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。以滤除掉不需要的高频分量，生成所需的模拟信号ya(t).,数字信号处理实现方法,1.采用大、中小型计算机和微机。
8、2.用单片机。3.利用通用DSP芯片4.利用特殊用途的DSP芯片,（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。用这一方法优点：可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。（2）用单片机由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能很强。优点：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。,（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。目前市场上的DSP芯片有：美国德州仪器公司(TI):TMS320CX
9、系列 占有90%还有AT&T公司dsp16,dsp32系列Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列,（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。如：BB公司：DF17XX系列 MAXIM公司：MAXIM27X,MAXIM28XNational公司：National-SEMI系列：MF系列。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。,1.信号的采集 实现信号的数字化，包括取样、量化。2.信号的分析 信号描述与运算，各种变换，时、频域分析。3.
10、系统分析 线性系统与非，时变系统与非，线性时（移）不变系统，因果系统与非，线性时（移）不变因果系统。4.快速算法 FFT,快速卷积、相关算法。5.数字滤波技术(1)IIR数字滤波器的分析与设计；(2)FIR数字滤波器的分析与设计。,三、数字信号处理的学科概貌（研究内容）,6.信号的频谱分析与估值 确定信号：谱分析；随机信号：相关计算、谱估计。7.特殊算法 反卷积，信号重构。8.数字信号处理的实现(1)在通用微机上，用软件实现;(2)用单片机实现;(3)专用数字信号处理芯片DSP。,四、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：精度高可靠性灵活性大易于大规模集成时分复用
11、可获得高性能指标二维与多维处理,1.精度高,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。,2.可靠性强,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。,3.灵活性大,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
12、多。,4.易于大规模集成,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、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）。,5.时分复用,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
13、道数目也就越多。,多路器,DSP,分路器,同步,123n,123n,6.可获得高性能指标,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，则可实现准确的线性相位特性，这在模拟系统中是很难达到的。,7.二维与多维处理,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。,8.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
14、杂，价格较高，对一些要求不高的应用来说，还不宜使用。,五、数字信号处理的应用,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,Speech Spectrogram,Signal Enhancement(Speech),Signal Enhancement(Image),Speech Signal Processing,Pattern Recognization,Fingerprint Distinguish,Digital Camera,Digital Camera,HDTVHigh Definition TV,
15、DVD(Digital Video Disc),Original speech Data size 330,780 bytes Compressed speech(GSM 6.10)-Sampled at 22.050 kHz,Data size 16,896 bytes,六、DSP技术的发展趋势,DSP技术的发展趋势，可用四个字“多快好省”来概括。1.多。可从广度和深度看，广度是指DSP的型号越来越多。如TMS320C2x（控制）/5x（低功耗）/6x（高性能处理）.从深度讲是多CPU的糅合，一种多DSP的糅合，一种DSP的核和其他事务性处理的核的糅合在一起如RM核。2.快。即运算的速度越来
16、越快，指令速度越来越快，频率越来越高，功能越来越强。,3.好。主要是指性能价格比。性价比符合摩尔定律：每隔18个月，芯片的速度提高一倍，价格是原来的一半。这是由于半导体工艺的发展，使得成本降低引起的。4.省。功耗越来越低。正是由于DSP多快好省的发展，DSP的应用范围越来越宽。,发展与挑战,VLSI的发展，不断突破人们原有的预测，速度更快、功耗更低的数字集成电路使数字处理更加便捷。对于数字信号处理，专用DSP处理器，已成为最重要的嵌入式系统的处理核心。模拟与数字系统是构成完整信息处理系统均不可缺少的单元，趋势是：核心处理部分采用数字处理，外围接口仍采用模拟系统。随着软件无线电、软件雷达等技术进
17、展，越来越多功能采用DSP实现，但仍不可能完全抛弃模拟系统，有些专用功能还是仅用模拟系统实现。,Matlab 介绍,Matlab 简介Matlab 的安装与启动Matlab 编程基础,一.Matlab 简介,Matlab名字是由Matrix和Laboratory两个词的前三个字母组合而成的,是由MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件。Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致。不象学习其它高级语言如Basic、Fortran和C等那样难于掌握。其基本元素是矩阵。具有强大的数值计算和图示能力。具有丰富的工具箱（ToolBox)。在高校中，M
18、atlab以成为数学，信息，控制等诸多学科有关课程的有效教学工具。,二Matlab 的安装,Matlab的启动,三.Matlab 编程基础,1 变量2 数组，向量与矩阵的创建和访问3 部分特殊变量和常数4 部分常用运算符5 Matlab的程序设计6 m文件的创建，保存7 基本数学函数和基本绘图函数,3.1 变量,变量无需定义即可使用。变量名的大小写是敏感的。变量的第一个字符必须为英文字母，而且不超过31个字符。变量名可以包含下连字符、数字，但不能为空格符、标点。,3.2 数组，向量与矩阵的创建和访问,在Matlab中,这三个概念在创建和显示的时候没有任何区别。向量的创建 要创建一个向量，在命令
19、窗口下输入：t=0:1:10屏幕显示：t=0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10注意：向量的第一个元素的下标是1，而不是0。t=0:1:10产生了010步长为1的共11个数，保存在t(1),t(2),t(11)中。,矩阵的创建 例如：创建一个33的矩阵，输入：a=1 2 3;4 5 6;7 8 9 屏幕输出a=1 2 3 4 5 6 7 8 9,访问矩阵的某一个元素：a(3,2)ans=8访问矩阵某行(列）的所有元素：a(3,:)a(:,2)注意：这两个符号分别是1*3行向量和3*1列向量,3.3 部分特殊变量和常数,ans 最近生成的无名结果eps 浮点数的相对误差pi 3.14159
20、26 i 虚数单位 j 虚数单位Inf 无穷大，如n/0,3.4 部分常用运算符,3.4.1 算术运算符*加 减乘(包括标量乘，矩阵乘，标量与矩阵乘)/除(包括标量除，矩阵除标量，数组除标量)矩阵求幂（矩阵必须为方阵）.*数组相乘./数组相除.数组求幂注意：.*./表示两个同维数组中的对应元素做乘，.表示对数组的每个元素求幂,3.4.2 关系运算符 大于=大于等于=等于=不等于运算法则：若关系式成立，结果为1；若关系式不成立，结果为0。,3.4.3 逻辑运算符&与|或 非运算法则：若逻辑真，结果为1；若逻辑假，结果为0。,3.4.4 其他常见符号=变量赋值%注释符 共轭转置符:冒号运算符 n:
21、s:m 产生nm,步长为s的序列，s可以为 正或负或者小数，默认值为1。,3.5 Matlab 程序设计,Matlab的工作方式有二种 1.交互式的指令操作方式。即用户在命令窗口中输入命令并按下回车键后，系统执行该指令并立即给出运算结果。2.m文件的编程方式。m文件是由 matlab语句构成的文件,且文件名必须以.m为扩展名，如example.m。用户可以用任何文件编辑器来对M文件进行编辑。,程序流程控制,顺序结构：Matlab 从上到下依次执行各语句，该结构最简单。循环结构(1)for-end 循环 用于循环次数事先确定的，格式为for i=n:s:m 语句体end s 为步长，可以为正数，
22、负数或小数。,（2）while-end 循环 用于循环次数不能事先确定的，格式为 while 表达式 语句 体 end 只有表达式为真，就执行语句体，表达式为假，终止该循环。,分支结构 if 语句格式为：if 表达式1 语句体1elseif 表达式2 语句体2.else 语句体elseend,3.6 m文件的创建，保存，调入,创建【File】菜单下【New】菜单选项的【M-File】命 令 打开matlab的m文件编辑器窗口。,保存 单击M文件编辑器窗口工具栏中的【Save】图标，打开保存对话框。,调入【File】菜单下【Set Path】菜单选项添加工作路径，【File】菜单下【Open】命
23、令 打开matlab的m文件进行编辑运行。,3.7 基本数学函数和基本绘图函数,sin cos tan exp log:自然对数log10:常用对数log2:以二为底的对数abs:取模conj:取共轭real:取实部 imag:取虚部,基本绘图指令,Matlab提供了强大的图形绘制功能。在大多数情况下，用户只需要指定绘图的方式，提供绘图数据，利用Matlab提供的丰富的二维，三维图形函数，就可以绘制出所需的图形。1绘制二维连续函数 Matlab中最常用的绘图函数是plot，plot的命令格式有以下几种：,(1)plot(y)当y为一向量时，以y的序号作为x轴，按向量y的值绘制曲线。(2)plo
24、t(x,y)x,y均为向量时，以x向量作为X轴，向量y作为Y轴绘制曲线。注意：x和y种元素的个数必须相同！,Example,n=0:10;x=(0.9).n;subplot(2,1,1);plot(x);subplot(2,1,2);plot(n,x,r);,2绘制二维离散序列在Matlab用stem命令实现离散序列的绘制。stem命令的格式有以下几种:(1)stem(y)以x=1,2,3为各点数据的x坐标，以y向量的各个对应元素为y坐标，在（X,Y）坐标面画一个空心小圆圈，并连接一条线段到X轴。(2)stem(x,y,filled)以x向量的各个元素为x坐标，以y向量的各个对应元素为y坐标，
25、在（X,Y）坐标面画一个实心小圆圈，并连接一条线段到X轴。,Example,n=0:10;x=(0.9).n;subplot(2,1,1);stem(x);subplot(2,1,2);stem(n,x,filled);,3.8 函数（Functions）,function output variables=function_name(input variables)Example：function x,n=stepseq(n0,n1,n2)%产生矩形信号 n1 n2)|(n1 n2)error(参数必须满足 n1=0;保存文件，得到stepseq.m,四.图形用户界面设计(GUI),图形用户
26、界面（Graphical User Interfaces,GUI）则是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象（Objects）构成的一个用户界面。用户通过一定的方法（如鼠标或键盘）选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等。,父对象子对象,图形对象的基本要素以根屏幕为先导,图形对象之间的关系为父代与子代的关系,4.1 创建图形对象的底层函数,figure创建图形窗口调用格式:h=figure(n)n为窗口序号uicontrol图形界面控制调用格式:h=uicontrol(property,value)property/value确定控制类型例：Hc_1=uico
27、ntrol(Hf_fig，style，pushbutton),uimenu创建用户界面菜单调用格式:h=uimenu(property,value)property/value 确定菜单形式。axes 创建轴对象 h=axes(property,)定义轴对象的位置与大小,什么是句柄？句柄是图形对象的标识代码(唯一的身份)，标识代码含有图形对象的各种必要的属性信息。各图形对象的句柄数据格式：根屏幕 0 图形窗口 正整数，表示图形窗口序号 其它对象 对应的双精度浮点数,4.2 句柄（handle)与句柄操作,所有能创建图形对象的matlab函数都可给出所创建图形对象的句柄例：创建1号窗口，返回句柄
28、值 h=figure(1)h=1 返回值为窗口号数,句柄属性的设置与修改get:获得句柄图形对象的属性和返回某些对象的句柄值get(gca,属性)返回当前坐标的单项属性值set:改变图形对象的属性专用函数：gcf：当前窗口对象的句柄 Get Current Figuregca：当前轴对象的句柄 Get Current Axesget(gca)返回当前坐标的所有属性值,4.3 图形对象属性的获得与设置,h1=line(0:10,0:10)h1=2.0016h1为句柄的代码值 get(h1)Color=0 0 1EraseMode=normalLineStyle=-LineWidth=0.5,例：
29、创建一个线对象并返回线对象的句柄值,4.4 回调函数（callback function）,CloseRequestFcn关闭窗口时响应函数KeyPressFcn键盘按下时响应函数windowButtonDownFcn-鼠标按下时响应函数WindowButtonMotionFcn-鼠标移动时响应函数CreateFcn和DeleteFcn-建立和删除对象时响应函数CallBack-对象被选中时响应函数(最常用。点击按钮时，按钮下的Callback就会执行；拖动滑块时，滑块名下的callback就会执行；总之，正常用途全放在callback下。),4.5 图形用户界面开发环境,GUIDE是Grap
30、hical User Interfaces Design Environment的简称，这是一个GUI设对计的快速开发环境，特别适用于快速产生各种图形象，并随心所欲地改变它们（外形、大小及颜色等）。,GUIDE的主要工具有：布局编辑器（Layout Editor）几何排列工具（Alignment Tool）属性编辑器（Property Inspector）对象浏览器（Object Browser）菜单编辑器（Menu Editor）,布局编辑器,布局编辑器用于从控件选择板上选择控件对象并放置到布局区内，布局区被激活后就成为图形用户界面。启动布局编辑器方法：在命令窗口输入命令guide。直接从启
31、动平台上启动。FileNewGUI,布局编辑器窗口,工具栏图标及功能控件选择板中的控件,Example,属性编辑器,属性编辑器用于设置控件属性，在属性编辑器中提供了所有可设置属性的列表并显示出当前的属性值，通过修改属性值完成对各种属性的修改。打开属性编辑器属性编辑器的使用,4.6 图形用户界面程序设计,设计原则简单性一致性习常性其他考虑因素：动态性能,具体制作步骤：,界面制作包括界面设计和程序实现。分析界面所要求实现的主要功能，明确设计任务。在稿纸上绘出界面草图，并站在使用者的角度来审查草图。按构思的草图，上机制作（静态）界面，并检查之。编写界面动态功能的程序，对功能进行逐项检查。,Any Questions？End of Chapter 0,
