數(shù)字信號處理概述

1、課程內(nèi)容,共64學(xué)時，其中講授48學(xué)時，上機(jī)實驗16學(xué)時。教材內(nèi)容：第1章～第8章 信號的類型、信號處理應(yīng)用的基本介紹。1學(xué)時離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析。6學(xué)時離散時間信號的變換域分析。7學(xué)時線性時不變離散時間系統(tǒng)在變換域中的分析。8學(xué)時連續(xù)時間信號的數(shù)字處理。8學(xué)時數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)。6學(xué)時數(shù)字濾波器的設(shè)計。8學(xué)時多抽樣數(shù)字信號處理。4學(xué)時,學(xué)習(xí)方法,數(shù)字信號處理非常有趣，也非常有用。強調(diào)基本概念、基本理論和分析

2、方法； 適當(dāng)練習(xí)，并利用進(jìn)行MATLAB進(jìn)行數(shù)字信號處理實踐；結(jié)合光盤內(nèi)容，加深課程理解，增強學(xué)習(xí)興趣；理論聯(lián)系實際，鞏固和加深對課程內(nèi)容的理解。利用Internet來擴(kuò)大自己的知識面和跟蹤本門學(xué)科的最新發(fā)展動態(tài)；考核方式：平時成績(作業(yè)+實驗)30％，期末考試成績70%。,本課程的教材和參考書:,數(shù)字信號處理－基于計算機(jī)的方法（第二版），Mitra著,電子工業(yè)出版社.數(shù)字信號處理教程(第二版），數(shù)字信號處理習(xí)題解答，程佩青，清

3、華大學(xué)出版社離散時間信號處理，[美]A.V.奧本海姆，科學(xué)出版社.Signal Processing 信號處理導(dǎo)論, Sophocles J.Orfanids,清華大學(xué)出版社.數(shù)字信號處理使用MATLAB, 維納.K.恩格爾 約翰.G.普羅克斯 ,劉樹棠譯，西安交通大學(xué)出版社.基于MATLAB的系統(tǒng)分析和設(shè)計-信號處理，樓順天等編著，西安電子科技出版社.,第一章 數(shù)字信號處理,數(shù)字信號處理: 是20世紀(jì)

4、60年代，隨著信息學(xué)科和計算機(jī)學(xué)科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。它的重要性日益在各個領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出來。 其主要標(biāo)志是兩項重大進(jìn)展，即快速傅里葉變換(FFT)算法的提出和數(shù)字濾波器設(shè)計方法的完善。,數(shù)字信號處理(DSP)(Digital Signal Processing)數(shù)字信號處理是把信號用數(shù)字或符號表示成序列，通過計算機(jī)或通用（專用）信號處理設(shè)備，用數(shù)值計算方法進(jìn)行各種處理，達(dá)到提取有用信息便于應(yīng)用

5、的目的。例如：濾波、檢測、變換、增強、估計、識別、參數(shù)提取、頻譜分析等。對于DSP:狹義理解可為Digital Signal Processor 數(shù)字信號處理器。廣義理解可為Digital Signal Processing 譯為數(shù)字信號處理技術(shù)。在此我們討論的DSP的概念是指廣義的理解。,1.1 信號的特征和分類,信號(signal)是一種物理體現(xiàn)，或是傳遞信息的函數(shù)。而信息是信號的具體內(nèi)容。模擬信號(analog si

6、gnal)：指時間連續(xù)、幅度連續(xù)的信號。數(shù)字信號(digital signal)：時間和幅度上都是離散(量化)的信號。數(shù)字信號可用一序列的數(shù)表示，而每個數(shù)又可表示為二制碼的形式，適合計算機(jī)處理。,一維(1-D)信號: 一個自變量的函數(shù)。二維(2-D)信號: 兩個自變量的函數(shù)。多維(M-D)信號: 多個自變量的函數(shù)。,例如：,單詞Away,256Hz 音叉信號,注意聲音與頻率的關(guān)系,虎鯨的聲音,腦電圖(EEG)：,圖像信號：

7、黑白圖像：二維信號,黑白視頻信號：三維信號彩色視頻信號：三維三通道信號,彩色圖像：三通道二維信號,系統(tǒng)：處理信號的物理設(shè)備?；蛘哒f，凡是能將信號加以變換以達(dá)到人們要求的各種設(shè)備。模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)。信號處理的內(nèi)容：濾波、變換、檢測、譜分析、估計、壓縮、識別等一系列的加工處理。,,系統(tǒng),,處理,y(t),x(t),多數(shù)科學(xué)和工程中遇到的是模擬信號。以前都是研究模擬信號處理的理論和實現(xiàn)。模擬信號處理缺點：難以做到高精度，受環(huán)境影

8、響較大，可靠性差，且不靈活等。數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點：體積小、功耗低、精度高、可靠性高、靈活性大、易于大規(guī)模集成、可進(jìn)行二維與多維處理隨著大規(guī)模集成電路以及數(shù)字計算機(jī)的飛速發(fā)展，加之從60年代末以來數(shù)字信號處理理論和技術(shù)的成熟和完善，用數(shù)字方法來處理信號，即數(shù)字信號處理，已逐漸取代模擬信號處理。隨著信息時代、數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號處理已成為一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。,,抗混疊濾波器,,A/D變換器,,數(shù)字信號處理器,,D/A

9、變換器,,抗鏡像濾波器,,模擬,xa(t),模擬,ya(t),x(n),y(n),數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成,采樣→量化,轉(zhuǎn)換為模擬電平→零階保持,ADC,DAC,DSP,模/數(shù)轉(zhuǎn)換,模/數(shù)轉(zhuǎn)換：采樣（sampling），量化（quantization）,數(shù)/模轉(zhuǎn)換,數(shù)/模轉(zhuǎn)換：數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，零階保持（zero order hold）， 抗鏡像濾波器進(jìn)行平滑。,1.2 典型的信號處理運算,時

10、域(time domain):描述信號隨時間的變化。頻域(frequency domain)：信號的頻譜（spectrum）。頻譜：對信號中所含頻率分量的描述，有該頻率處的頻譜幅度表示。通常用FFT（快速傅立葉變換）計算。,中音C,和弦CEG,數(shù)字濾波,數(shù)字濾波可以便捷地改變信號的特性。常用的濾波器改變信號的頻率特性，讓一些信號頻率通過，阻塞另一些信號頻率。通過消除一個或一些頻率分量來改變信號的頻譜。低通濾波器(low pass

11、 filter)：通低頻，阻高頻；高通濾波器(high pass filter)則相反；帶通濾波器(band pass filter)允許一定頻帶內(nèi)的頻率通過；帶阻濾波器(band stop filter)允許一定頻帶以外的所有頻率通過。截至頻率(cut-off frequency):濾波器拐角處的頻率,數(shù)字濾波舉例,CEG基頻,CE基頻,C基頻,和弦CEG,對于圖像（二維信號），低頻部分指圖像中變化緩慢的部分，高頻部分對于邊緣或突變

12、部分。,數(shù)字濾波器是由一系列濾波器系數(shù)定義的，只需要簡單改變?yōu)V波器系數(shù)就可以完成濾波器特性的修改。,高頻噪聲濾除：,其他信號處理運算：課本1.2節(jié)復(fù)數(shù)信號的產(chǎn)生調(diào)制和解調(diào)復(fù)用和解復(fù)用正交振幅調(diào)制,1.3 典型信號舉例,心電圖信號腦電圖信號地震信號柴油機(jī)信號語音信號音樂信號圖像,1.4 典型的信號處理應(yīng)用,聲音記錄應(yīng)用電話撥號應(yīng)用調(diào)頻立體聲應(yīng)用電子音樂合成電話網(wǎng)中的回聲擬制,1.5 數(shù)字信號處理學(xué)科介紹及應(yīng)

13、用,在國際上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里葉變換(FFT)的問世，作為數(shù)字信號處理這一學(xué)科的開端。而它的歷史可以追溯到17世紀(jì)--18世紀(jì)，也即牛頓和高斯的時代。數(shù)字信號處理的基本工具：微積分，概率統(tǒng)計，隨機(jī)過程，高等代數(shù)，數(shù)值分析，近代代數(shù)，復(fù)雜函數(shù)。數(shù)字信號處理的理論基礎(chǔ)：離散線性變換(LSI)系統(tǒng)理論，離散付里葉變換(DFT)。在學(xué)科發(fā)展上，數(shù)字信號處理又和最優(yōu)控制，通信理論，故障診斷等緊緊相連，

14、成為人工智能，模式識別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字通信等新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。,數(shù)字信號處理學(xué)科內(nèi)容信號的采集：包括A/D,D/A技術(shù)、抽樣定理、量化噪聲理論等離散信號分析：離散時間信號時域及頻域分析、離散付里葉變換（DFT）理論離散系統(tǒng)分析 信號處理的快速算法 :譜分析與快速付里葉變換（FFT），快速卷積與相關(guān)算法。濾波技術(shù) 信號的估計:各種估值理論、相關(guān)函數(shù)與功率譜估計信號的壓縮:包括語音信號與圖象信號的壓縮信號的建模:包括AR

15、，MA，ARMA等各種模型。其他特殊算法:同態(tài)處理、抽取與內(nèi)插、信號重建等數(shù)字信號處理的實現(xiàn)。數(shù)字信號處理的應(yīng)用。,數(shù)字信號處理實現(xiàn)方法1.采用大、中小型計算機(jī)和微機(jī):工作站和微機(jī)上各廠家的數(shù)字信號軟件，如有各種圖象壓縮和解壓軟件。2.用單片機(jī):可根據(jù)不同環(huán)境配不同單片機(jī)，其能達(dá)實時控制，但數(shù)據(jù)運算量不能太大。3.利用通用DSP芯片: DSP芯片較之單片機(jī)有著更為突出優(yōu)點。如內(nèi)部帶有乘法器，累加器，采用流水線工作方式及并行

16、結(jié)構(gòu)，多總線速度快。配有適于信號處理的指令(如FFT指令)等。 美國德州儀器公司Texas Instrument（TI）， Analog Devices ，Lucent ， Motorola ，AT&T等公司都有生產(chǎn)。4.利用特殊用途的DSP芯片:市場上推出專門用于FFT,FIR濾波器，卷積、相關(guān)等專用數(shù)字芯片。其軟件算法已在芯片內(nèi)部用硬件電路實現(xiàn)，使用者只需給出輸入數(shù)據(jù)，可在輸出端直接得到數(shù)據(jù)。,用通用的可編程的數(shù)字信號處理

17、器實現(xiàn)法—是目前重要的數(shù)字信號處理實現(xiàn)方法，它即有硬件實現(xiàn)法實時的優(yōu)點，又具有軟件實現(xiàn)的靈活性優(yōu)點。,數(shù)字信號處理大致可分為：信號分析和信號濾波信號分析涉及信號特性的測量。它通常是一個頻域的運算。主要應(yīng)用于：譜(頻率和/或相位)分析、語音分析和識別、目標(biāo)檢測等。例如（1）對環(huán)境噪聲的譜分析,可確定主要頻率成分,了解噪聲的成因,找出降低噪聲的對策;（2）對振動信號的譜分析,可了解振動物體的特性,為設(shè)計或故障診斷提供資料和數(shù)據(jù)。（3）

18、對于高保真音樂和電視這樣的寬帶信號轉(zhuǎn)到頻率域后極大多數(shù)能量集中在直流和低頻部分,就可把頻譜中的大部分成分濾去,從而壓縮信號頻帶。,數(shù)字濾波就是在形形色色的信號中提取所需要的信號,抑制不需要的信號或干擾信號。應(yīng)用于（1）消除信息在傳輸過程中由于信道不理想所引起的失真, （2）濾除不需要的背景噪聲，（3）去除干擾、（4）頻帶分割， 信號譜的成形。它廣泛地應(yīng)用于數(shù)字通信，雷達(dá)，遙感，聲納，語音合成，圖象處理，測量與控制，高清晰度電視，

19、多媒體物理學(xué)，生物醫(yī)學(xué)，機(jī)器人等。,DSP的典型應(yīng)用語音處理：語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、語音郵件、語音儲存等。圖像/圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識別、動畫、機(jī)器人視覺、多媒體、電子地圖、圖像增強等。軍事；保密通信、雷達(dá)處理、聲吶處理、導(dǎo)航、全球定位、跳頻電臺、搜索和反搜索等。儀器儀表：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、地震處理等。自動控制：控制、深空作業(yè)、自動駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制等。醫(yī)療：助

20、聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)、心電圖等。家用電器：數(shù)字音響、數(shù)字電視、可視電話、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲等。,生物醫(yī)學(xué)信號處理舉例：CT：計算機(jī)X射線斷層攝影裝置。（其中發(fā)明頭顱CT英國EMI公司的豪斯菲爾德獲諾貝爾獎。）CAT:計算機(jī)X射線空間重建裝置。出現(xiàn)全身掃描，心臟活動立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干圖像重建。心電圖分析。,數(shù)字處理的優(yōu)點：對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部參與影響小；容易實現(xiàn)集成；V