《數字信號處理》PPT課件

數字信號處理Digital Signal Processing(DSP),教師：桂 林 Tel:13886059017 Email:susan_,教材及參考書,教材： 數字信號處理原理與實現（第二版）主編：劉泉、闕大順、郭志強 出版社：電子工業(yè)出版社 出版時間：2009年6月 參考書： 1.數字信號處理第3版（姚天仁，江太輝）華中科技大學出版社 2007年 2.數字信號處理(丁玉美，高西奎) 西安電子科技大學出版社 2001年 3. 數字信號處理教程（程佩青）清華大學出版社 2009年 4.離散時間信號處理 美A.V奧本海姆 R.W.謝弗編 黃建國等譯 科學出版社 2000年,課時安排及成績評定,課時：理論課 54學時（44講課+10習題課） 實驗課 10學時 成績評定：期末考試 70% 實驗成績 20% 平時成績 10%,講授內容,緒論 時域離散時間信號與系統(tǒng) 離散時間信號與系統(tǒng)的頻域分析 離散傅里葉變換（DFT） 快速傅里葉變換（FFT） 數字濾波器的基本網格結構 無限長單位脈沖響應IIR數字濾波器的設計方法 有限長單位脈沖相應FIR數字濾波器的設計方法 數字信號處理的基本方法,本課程的特點,1. 數學工具多: 微積分，概率統(tǒng)計，隨機過程，高等代數， 數值分析，積分變換，復變函數等。 2. 要求基礎強 網絡理論、信號與系統(tǒng)是本課程的理論基礎。 3. 與其它學科密切相連 與最優(yōu)控制、通信理論、故障診斷、計算機、微電子技術不可分，又是人工智能、模式識別、神經網絡等新興學科的理論基礎之一。,溫馨提示,理解基本概念、基本理論和分析方法 適當練習，并利用MATLAB進行數字信號處理實踐；加深理解，增強學習興趣 利用網絡擴大知識面和跟蹤本學科最新發(fā)展動態(tài),第一章 緒論,為何要上數字信號處理? 在過去的數十年中，數字信號處理(DSP)的領域，無論在理論上還是技術上都有非常重要的發(fā)展。 由于工業(yè)上開發(fā)和利用廉價的硬件和軟件，使不同領域的新工藝和新應用現在都想利用DSP算法。,第一節(jié)什么是數字信號處理,一、數字信號處理(DSP)(Digital Signal Processing),凡是利用數字計算機或專用數字硬件、對數字信號所進行的一切變換或按預定規(guī)則所進行的一切加工處理運算。 例如：濾波、檢測、參數提取、頻譜分析等。 對于DSP:狹義理解可為Digital Signal Processor 數字信號處理器。廣義理解可為Digital Signal Processing 譯為數字信號處理技術。在此我們討論的DSP的概念是指廣義的理解。,1.信號(復習),信號是一種物理體現。在信號處理領域中，信號被定義為一個隨機變化的物理量。 例如：為了便于處理，通常都使用傳感器把這些真實世界的物理信號-電信號，經處理的電信號-傳感器-真實世界的物理信號。 如現實生活中最常見的傳感器是話筒、揚聲器 話筒(將聲壓變化)-電壓信號-空氣壓力信號(揚聲器),常見信號：,電壓，電流，磁通； 溫度，壓力， 壓強； 光，機械振動； 價格，經濟指數，股市指數； 流量，水位，潮位； 人體生理信號 等等,常見人體生理信號 （生物醫(yī)學信號）,ECG(心電) EEG(腦電) EOG(眼電) EMG(肌電) PCG(心音),要求：準確檢測R波，99 準確檢測 P,Q,S,T等波， 90% 準確測量 PQ間期， QRS寬度， S-T段形態(tài),不同心臟病人的心電圖,腦電（EEG）的節(jié)律（即主要頻率）：,節(jié)律：<4Hz 的成分；,節(jié)律：4Hz8Hz 的成分；,節(jié)律：8Hz13Hz 的成分；,節(jié)律：13Hz 的成分。,（深睡）,（淺睡）,（清醒）,（受刺激或思考）,腦電信號,胎兒心電信號,圖像信號： 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,2.信號的最基本的參數,頻率和幅度 3-30kHz:Very low frequency VLF(潛水艇導航) 30-300kHz:Low frequency LF(潛水艇通信) 3003000kHz:Medium frequency(調幅廣播) 3-30MHz:High frequency(HF)(無線電愛好者，國際廣播，軍事通信 無繩電話，電報，傳真) 30-300MHz:Very High frequency(VHF)(調頻FM，VHF電視) 0.33GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF電視，蜂窩電話，雷達，微波，個人通信) 頻率低20Hz范圍，稱為次聲波，它不能被聽到，當強度足夠大，能被感覺到。(處于VLF Very low frequency) 頻率20Hz20KHz稱為聲波，Low frequency (處于LF) 頻率20KHz稱為超聲波 ，具有方向性，可以成束(處于LF),3.信號分類,連續(xù)信號和離散信號 模擬信號和數字信號 確定性信號和隨機信號,(1)連續(xù)信號和離散信號,連續(xù)信號：指隨時間信號而連續(xù)變化的信號。 離散信號：只有在離散的時間點有確定的值。它通常都是通過對連續(xù)信號采樣而得到的。,連續(xù)信號,離散信號,(2)模擬信號和數字信號,模擬信號：指幅度連續(xù)的信號，通常指 時間和幅度上都是連續(xù)的信號。 數字信號：時間和幅度上都是離散的信 號。,x(t),t,x(tn),tn,x(n),n,采樣,模數,保持,轉換,(3)確定性信號和隨機信號,確定性信號：它的每一個值可以用有限個參量來唯一地加以描述。 例：直流信號：僅用一個參量可以描述。 階躍信號：可用幅度和時間兩個參量描述。 正弦波信號：可用幅度、頻率和相位三個參量 來描述。 隨機信號：不能用有限的參量加以描述。也無法對它的未來值確定地參預測。它只能通過統(tǒng)計學的方法來描述(概率密度函數來描述)。 例：許多自然現象所發(fā)生的信號、語音信號、圖象信號、噪聲都是隨機信號。它們具有幅度(能量)隨機性、或具有發(fā)生時間上的隨機性或二都兼有之。,4.信號處理,濾波 變換 壓縮 估計 識別,信號處理的運算,時域/空域運算 頻域運算 實時運算 離線運算,時域信號運算,基本運算 尺度運算 :增益 放大 衰減 延遲 / 超前 相加,初等運算 積分/ 求和 微分 / 差分 乘法 卷積 相關,濾波,濾波器參數 通帶Passband 阻帶Stopband 過渡帶Transition band 截止頻率Cutoff frequency,基本濾波器類型 低通Lowpass 高通Highpass 帶通Bandpass 帶阻Bandstop/band reject,數學工具,微分方程Differential Equation 差分方程Difference Equation Laplace變換Laplace Transform Z-變換z-Transform Fourier變換Fourier Transform Hilbert 變換Hilbert Transform 離散傅立葉變換Discrete Fourier Transform Walsh變換walsh transform,二、數字信號處理的學科概貌 1.數字信號處理的發(fā)展,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，作為數字信號處理這一學科的開端。而它的歷史可以追溯到17世紀-18世紀，也即牛頓和高斯的時代。 20世紀70-80年代，開展了對自適應數字濾波器的廣泛研究。,2.數字信號處理領域的理論基礎,數字信號處理的基本工具：微積分，概率統(tǒng)計，隨機過程，高等代數，數值分析，近代代數，復變函數。 數字信號處理的理論基礎：離散線性變換(LSI)系統(tǒng)理論，離散傅里葉變換(DFT)。,3.“數字信號處理”又成為一些學科的理論基礎,在學科發(fā)展上，數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，成為人工智能，模式識別，神經網絡，數字通信等新興學科的理論基礎。,4.數字信號處理基本學科分支,數字信號濾波 分為經典濾波和現代濾波。經典濾波主要為FIR 和IIR濾波器 數字信號頻譜分析 FFT進行譜分析 統(tǒng)計頻譜分析,三、數字信號處理系統(tǒng)的基本組成,以下所討論的是模擬信號的數字信號處理系統(tǒng).,前置預 濾波器,A/D 變換器,數字信號 處理器,D/A 變換器,后置 濾波器,模擬,Xa(t),PrF,ADC,DSP,DAC,PoF,模擬,Ya(t),(1)前置濾波器,將輸入信號xa(t)中高于某一頻率(稱折疊頻率，等于抽樣頻率的一半)的分量加以濾除。,t,xa(t),0,(2)A/D變換器,由模擬信號產生一個二進制流。 在A/D變換器中每隔T秒(抽樣周期)取出一次xa(t)的幅度，抽樣后的信號稱為離散信號。,抽樣,量化,數字信號,每隔T秒取一次xa(t)的 幅度,采用有限位二進制碼,時間量化，幅度量化,T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,離散時間信號,(2)A/D變換器,(3)數字信號處理器(DSP),按照預定要求，在處理器中將信號序列x(n)進行加工處理得到輸出信號y(n).,(4)D/A變換器,由一個二進制流產生一個階梯波形，是形成模擬信號的第一步。 把階梯波形平滑成預期的模擬信號。 以濾除掉不需要的高頻分量，生成所需的模擬信號ya(t).,(5)后置濾波器,第二節(jié)數字信號處理的實現,數字信號處理實現方法,1.采用大、中小型計算機和微機。 2.用單片機。 3.利用通用DSP芯片 4.利用特殊用途的DSP芯片,1.采用大、中小型計算機和微機,工作站和微機上各廠家的數字信號軟件，如有各種圖像壓縮和解壓軟件。 用這一方法優(yōu)點：可適用于各種數字信號處理的應用場合，很靈活。,2.用單片機,由于單片機發(fā)展已經很久，價格便宜，且功能很強。 優(yōu)點：可根據不同環(huán)境配不同單片機，其能達到實時控制，但數據運算量不能太大。,3.利用通用DSP芯片,DSP芯片較之單片機有著更為突出優(yōu)點。 如內部帶有乘法器，累加器，采用流水線工作方式及并行結構，多總線速度快。配有適于信號處理的指令(如FFT指令)等。 目前市場上的DSP芯片有： 美國德州儀器公司(TI):TMS320CX系列 占有90% 還有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,市場上推出專門用于FFT,FIR濾波器，卷積、相關等專用數字芯片。 如：BB公司：DF17XX系列 MAXIM公司：MAXIM27X ,MAXIM28X National公司：National-SEMI系列：MF系列。 其軟件算法已在芯片內部用硬件電路實現，使用者只需給出輸入數據，可在輸出端直接得到數據。,第三節(jié)數字信號處理的特點,與模擬系統(tǒng)(ASP)相比，數字系統(tǒng)具有如下特點： 精度高 可靠性 靈活性大 易于大規(guī)模集成 時分復用 可獲得高性能指標 二維與多維處理,1.精度高,在模擬系統(tǒng)中，它的精度是由元件決定，模擬元器件的精度很難達到10-3以上。而數字系統(tǒng)中，17位字長就可達10-6精度，所以在高精度系統(tǒng)中，有時只能采用數字系統(tǒng)。,2.可靠性強,數字系統(tǒng)：只有兩個信號電平0，1受噪聲及環(huán)境條件等影響小。 模擬系統(tǒng)：各參數都有一定的溫度系數，易受環(huán)境條件，如溫度、振動、電磁感應等影響，產生雜散效應甚至振蕩等 且數字系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路，其故障率遠遠小于采用眾多分立元件構成的模擬系統(tǒng)。,3.靈活性大,數字系統(tǒng)的性能主要決定于乘法器的各系數，且系數存放于系數存儲器內，只需改變存儲的系數，就可得到不同的系統(tǒng)，比改變模擬系統(tǒng)方便得多。,4.易于大規(guī)模集成,數字部件：高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成，大規(guī)模生產，對電路參數要求不嚴，故產品成品率高。 例：(尤其)在低頻信號：如地震波分析，需要過濾幾Hz幾十Hz的信號，用模擬系統(tǒng)處理其電感器、電容器的數值，體積，重量非常大，且性能亦不能達到要求，而數字信號處理系統(tǒng)在這個頻率處卻非常優(yōu)越(顯示出體積，重量和性能的優(yōu)點)。,5.時分復用,利用DSP同時處理幾個通道的信號。 某一路信號的相鄰兩抽樣值之間存在很大的空隙時間，因而在同步器的控制下，在此時間空隙中送入其他路的信號，而各路信號則利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信號后，再算另一路信號，因而處理器運算速度越高，能處理的信道數目也就越多。,多路器,DSP,分 路 器,同步,1 2 3 n,1 2 3 n,6.可獲得高性能指標,例：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以上頻率，且難于做到高分辨率(也即足夠窄的帶寬)。 但在數字的譜分析中，已能做到10-3Hz的譜分析。 又例：有限長沖激響應數字濾波器，則可實現準確的線性相位特性，這在模擬系統(tǒng)中是很難達到的。,7.二維與多維處理,利用龐大的存儲單元，可以存儲一幀或數幀圖象信號，實現二維甚至多維信號包括二維或多維濾波，二維及多維譜分析等。,8.局限性,數字系統(tǒng)的速度還不算高，因而不能處理很高頻率的信號。(因為抽樣頻率要滿足奈奎斯特準則定理) 另外，數字系統(tǒng)的設計和結構復雜，價格較高，對一些要求不高的應用來說，還不宜使用。,第四節(jié)數字信號處理的應用領域,自20世紀60年代以來，數字信號處理的應用已成為一種明顯的趨勢，這與它突出優(yōu)點分不開的。 數字信號處理大致可分為： 信號分析 信號濾波,一、信號分析,任務：涉及信號特性的測量。它通常是一個頻域的運算。 主要應用于： 譜(頻率和/或相位)分析 語音分析 說話人識別 目標檢測,二、信號濾波,任務：是信號入-信號出的情況。實現這個任務的系統(tǒng)被稱為濾波器。它通常(但不總是)作時域運算。 主要應用于： 濾除不需要的背景噪聲，去除干擾 頻帶分割， 信號譜的成形 所以它廣泛地應用于數字通信，雷達，遙感，聲納，語音合成，圖象處理，測量與控制，高清晰度電視，多媒體物理學，生物醫(yī)學，機器人等。,三、DSP的典型應用,1.網絡 2.無線通信 3.家電 4.另外還有虛擬現實，噪聲對消技術，電機控制，圖像處理等等 可以說DSP是現代信息產業(yè)的重要基石，它在網絡時代的地位與CPU在PC時代的地位是一樣的。,四、舉例1.語音處理,它是最早采用數字信號處理技術的領域之一。 本世紀50年代提出語音形成數字模型，經過十多年對語音的分析、綜合、證明是正確的。 在語音領域現存在著三種系統(tǒng)：語音分析系統(tǒng)：(自動語音識別系統(tǒng)，它能識別語音，辨認說話的人是誰，而且破譯后，能立即作出決斷。語音綜合系統(tǒng)：盲人的自動閱讀機，聲音響應的計算機終端，會說話玩具，家用電器(CD,VCD,DVD)。語音分析綜合系統(tǒng)：語音存儲和檢索系統(tǒng)。 即廣泛應用于電話竊聽。即應用于語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人確認、語音郵件、語音存儲等。,2.圖像處理,數字信號處理技術成功應用的圖像處理方法有： 數據壓縮 圖像復原 清晰化與增強 由于單個數字圖像以1兆個采樣值的量級表示，所以要求高性能的處理機、高密度的數據存儲器。即要求高速度硬件。,3.雷達,在軍事上，雷達、計算機、射擊武器等組成一個自動控制系統(tǒng)。 當目標進入雷達的作用半徑以內并被雷達自動跟蹤時，雷達就測量出目標的當前位置(距離、方位角和高低角)，并把數據送入計算機，推算出目標的航向，航速，引導導彈或自動火炮去擊中目標(愛國者導彈對飛毛腿導彈)。雷達系統(tǒng)是應用高性能數字信號處理技術的一個例子。 雷達系統(tǒng)主要信號處理功能包括： 信號產生、匹配濾波、門限比較、目標參數(如射程、方位和速度)估計。,4.通信,整個通信領域幾乎沒有不受數字信號處理技術影響的地方。 數字技術已用于信號的調制、解調、濾波、混頻、檢波和多路傳輸等問題中。 語音數據壓縮與解壓是數字信號處理的重要內容。 在電信領域，數字處理技術已發(fā)展到音調檢測，回波清除、數字開關網和自適應均衡、數據加密、數據壓縮、可視電話等。許多音頻通信的信號處理功能，已由單塊集成電路實現。,5.電話、電報,下面介紹它們在通訊中的應用大家知道，脈沖編碼調制通訊（簡稱PCM）的主要優(yōu)點是抗干擾性強。但是，要對語音信號進行脈沖編碼傳輸，起碼要有64千比特/秒。為了提高信道的利用率，必須壓縮語音數碼率。語音壓縮編碼的方法很多，如自適應差分脈調制（ADPCM），32千比特/秒的數碼率達到了長途電話的質量標準，且復雜程度較低，1988年被CCITT（國際電報電話咨詢委員會）建議為長途傳輸中的一種新型國際通用語音編碼方法。,6.擴頻通信,與數據壓縮相反的數據擴張，也是很有用的技術。它的根據是仙農編碼定理：在一定的條件下，只要碼的長度充分大時，一定存在一種編碼、譯碼方法，使錯誤譯碼率充分小。近年來，在國防上實現發(fā)射功率隱蔽與抗電子干擾，采用了數據擴張技術，用300千比特/秒的數碼率傳送64千比特/秒的語音，可以使敵方對此信號難以偵察或干擾。,7.移動通信,現代通信系統(tǒng)是信息時代的生命線。最近幾年，電信業(yè)在我國發(fā)展很快，安裝電話的用戶與日俱增，移動通信已開始全國聯(lián)網?，F在，世界性的全球通訊網連接著6億個以上的電話，還提供大量的用戶電報以及數據通信業(yè)務。到本世紀末，通訊將超過能源、汽車、鋼鐵、交通和農業(yè)，成為世界上最大的行業(yè)。,8.其他,生物醫(yī)學信號處理CT / CAT CT：計算機X射線斷層攝影裝置。其中頭顱CT英國EMI公司豪斯菲爾德獲諾貝爾獎。 CAT:計算機X射線空間重建裝置。出現全身掃描，心臟活動立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干圖像重建。 嵌入式電子系統(tǒng),蜂窩電話無線通信DSP系統(tǒng) Nasser Kehtarnavaz, and Mansour Keramat, DSP System Design: Using the TMS320C6000, Prentice Hall, 2001.,ADSL 有線通信 DSP 系統(tǒng) Nasser Kehtarnavaz, and Mansour Keramat, DSP System Design: Using the TMS320C6000, Prentice Hall, 2001.,硬盤驅動 DSP 系統(tǒng) Nasser Kehtarnavaz, and Mansour Keramat, DSP System Design: Using the TMS320C6000, Prentice Hall, 2001.,電機控制 DSP 系統(tǒng) Nasser Kehtarnavaz, and Mansour Keramat, DSP System Design: Using the TMS320C6000, Prentice Hall, 2001.,汽車多媒體系統(tǒng),MP3,五、DSP技術的發(fā)展趨勢1,DSP技術的發(fā)展趨勢，可用四個字“多快好省”來概括。 1.多?？蓮膹V度和深度看，廣度是指DSP的型號越來越多。如TMS320C2x（控制）/5x（低功耗）/6x（高性能處理）.從深度講是多CPU的糅合，一種多DSP的糅合，一種DSP的核和其他事務性處理的核的糅合在一起。 2.快，即運算的速度越來越快，指令速度越來越快，頻率越來越高，功能越來越強。,五、DSP技術的發(fā)展趨勢2,3.好。主要是指性能價格比。 性價比符合摩爾定律：每隔18個月，芯片的速度提高一倍，價格是原來的一半。這是由于半導體工藝的發(fā)展，使得成本降低引起的。 4.省。功耗越來越低。 正是由于DSP多快好省的發(fā)展，DSP的應用范圍越來越寬。,作業(yè),寫一篇綜述文章，主要方面為DSP的技術、發(fā)展趨勢、或在某一方面的研究，或是了解某一領域用DSP的的前景等。 要求按論文寫作要求。有題目、作者、摘要、關鍵字、參考文獻及外文摘要。 上交時間為二個星期之后的今日。,小結,1.什么是數字信號處理 2.數字信號處理的學科分支 3.數字信號處理的基本組成 4.數字信號處理的實現方法 5.數字信號處理的特點 6.數字信號處理的應用領域 7.數字信號處理的發(fā)展趨勢,信號的采集,接下來 ,離散信號系統(tǒng)分析,信號處理與D/FFT,濾波技術,