数字信号处理(王震宇 张培珍编)绪论.ppt

数字信号处理数字信号处理DigitalSignal Processing广东海洋大学信息学院广东海洋大学信息学院学时：学时：54学时（实验学时（实验10学时）学时）学分：学分：3学分学分主讲教师：张培珍主讲教师：张培珍Email:数字信号处理数字信号处理Digital Media ProcessingWebpadTelematicsWireless Devices:802.11,Bluetooth,OthersEnhanced GamingMilitary and Government Cellular,Secure ConnectivityIndustry-Specific PDAsBiometricsMedical Devices数字信号处理数字信号处理教科教科书数字信号处理数字信号处理北京大学出版社北京大学出版社王震宇，张培珍等编著王震宇，张培珍等编著数字信号处理数字信号处理本课程网站本课程网站http:/ 论论2.32.3数字信号处理的特点数字信号处理的特点(B)(B)2.4 2.4 数字信号处理的实现（数字信号处理的实现（B B）2.52.5数字信号处理的产生发展、数字信号处理的产生发展、应用应用(C)数字信号处理数字信号处理2 2.2 2数字信号处理系统基本组成（数字信号处理系统基本组成（A A）2.1 2.1 数字信号处理的定义数字信号处理的定义(A)(A)前言前言过去，信号处理一直采用模拟设备来过去，信号处理一直采用模拟设备来 完成。近代，数字计算机的出现和大规完成。近代，数字计算机的出现和大规模集成技术的高速发展，为信号处理提模集成技术的高速发展，为信号处理提供了强有力的手段。在电子技术各个领供了强有力的手段。在电子技术各个领域，例如雷达、声纳、语言通信、数字域，例如雷达、声纳、语言通信、数字通讯等，正日益广泛的用数字方法替代通讯等，正日益广泛的用数字方法替代模拟方法实现信号处理。因此模拟方法实现信号处理。因此,从本世纪从本世纪60年代以来，逐步形成了一门新的学科年代以来，逐步形成了一门新的学科数字信号处理。数字信号处理。1、信号、系统和信号处理信号、系统和信号处理1.1 信号定义：信号定义：信号是一个或多个独立信号是一个或多个独立变量的函数变量的函数，该函该函数含有物理系统的信息或表示物理系统数含有物理系统的信息或表示物理系统状态或行为。状态或行为。(e.g.:i(t)，v(t)，g(x，y).独立变量独立变量:时间、距离、速度、位置、温度时间、距离、速度、位置、温度和压力等和压力等 数字信号处理数字信号处理振动弦振动弦(声源声源)声级计声级计记录仪记录仪0At信号波形图：用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，信号波形图：用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。记录被测物理量随时间的变化情况。数字信号处理数字信号处理1.2 信号的描述方法信号的描述方法信号是无处不在的。在众多的描述方法中，有信号是无处不在的。在众多的描述方法中，有两个最基本的物理量，即两个最基本的物理量，即时间和频率时间和频率。显然，。显然，时间和频率与我们的日常生活关系最为密切，时间和频率与我们的日常生活关系最为密切，我们时时可以感受到它们的存在。时间自不必我们时时可以感受到它们的存在。时间自不必说，对频率，如夕阳西下时多变的彩霞，音乐说，对频率，如夕阳西下时多变的彩霞，音乐会上那优美动听的旋律以及在一片寂静中突然会上那优美动听的旋律以及在一片寂静中突然冒出的一声刺耳的尖叫等，这些都包含了丰富冒出的一声刺耳的尖叫等，这些都包含了丰富的频率内容。正因为如此，时间和频率也成了的频率内容。正因为如此，时间和频率也成了描述信号行为的两个最重要的物理量。描述信号行为的两个最重要的物理量。数字信号处理数字信号处理例例数字信号处理数字信号处理1.3信号分类信号分类1）按独立变量个数可分：按独立变量个数可分：1-dimensional(1-D)：单单个独立变量的一维函数个独立变量的一维函数，e.g轨迹跟踪；轨迹跟踪；2-D：两个独立变量的二维两个独立变量的二维函数函数，e.g.图象信号。图象信号。M-D：多个独立变量的多维多个独立变量的多维函数函数，e.g.彩色视频信号彩色视频信号(RGB)。数字信号处理数字信号处理2）按）按载体：载体：电信号、磁信号、声信号、光信号、热信号、电信号、磁信号、声信号、光信号、热信号、机械信号。机械信号。数字信号处理数字信号处理简单的测试系统可简单的测试系统可以只有一个模块，以只有一个模块，如玻璃管温度计。如玻璃管温度计。它直接将被温度变它直接将被温度变化转化液面示值。化转化液面示值。没有电量转换和分没有电量转换和分析电路，很简单，析电路，很简单，但精度底，无法实但精度底，无法实现测量自动化。现测量自动化。为提高测量精度和为提高测量精度和自动化程度，以便自动化程度，以便于和其它环节一起于和其它环节一起构成自动化装置，构成自动化装置，通常先将被测物理通常先将被测物理量转换为电量，再量转换为电量，再对电信号进行处理对电信号进行处理和输出。如图所示和输出。如图所示的声级计。的声级计。数字信号处理数字信号处理3）按）按周期性：周期性：周期信号周期信号x(t)=x(t+kT);非周期信号。非周期信号。数字信号处理数字信号处理简单简单周期周期信号信号复杂复杂周期周期信号信号准周准周期信期信号号瞬态瞬态信号信号 4）按是否为确定函数）按是否为确定函数:分为确定信号；随机信号。分为确定信号；随机信号。数字信号处理数字信号处理噪声信号噪声信号(平稳平稳)复杂周期信号复杂周期信号 5）按能量或功率是否有限：）按能量或功率是否有限：能量信号（能量有限）；功率信号（功率有限能量信号（能量有限）；功率信号（功率有限）。）。数字信号处理数字信号处理瞬态信号瞬态信号复杂周期信号复杂周期信号噪声信号噪声信号(平稳平稳)一般持续时间无限的信号都属于功率信号。一般持续时间无限的信号都属于功率信号。6 6）按独立变量定义域和信号值域分）按独立变量定义域和信号值域分连续时间信号连续时间信号CTS（Continuous-TimeSignals）模拟信号模拟信号AS（AnalogSignals）离散时间信号离散时间信号DTS（Discrete-TimeSignals）数字信号数字信号DS（DigitalSignals）数字信号处理数字信号处理7）物理可实现信号与物理不可实现信号物理可实现信号与物理不可实现信号a)物物理理可可实实现现信信号号：又又称称为为单单边边信信号号，满满足足条条件件：t0时，时，x(t)=0，即在时刻小于零的一侧全为零。即在时刻小于零的一侧全为零。b)物理不可实现信号：在事件发生前物理不可实现信号：在事件发生前(t0)就预知信号。就预知信号。数字信号处理数字信号处理1.3 信号处理系统信号处理系统1、定义：系统是将信号进行处理（或变换）、定义：系统是将信号进行处理（或变换）以达到人们要求的各种设备。系统可以是硬件以达到人们要求的各种设备。系统可以是硬件的，也可以是软件编程实现的。的，也可以是软件编程实现的。2、系统的分类（按所处理的信号种类不同分、系统的分类（按所处理的信号种类不同分类）类）-连续时间信号系统连续时间信号系统-模拟信号系统模拟信号系统-离散时间信号系统离散时间信号系统-数字信号系统数字信号系统数字信号处理数字信号处理2、数字信号处理、数字信号处理数字信号处理数字信号处理2.1定义：定义：数字信号处理是用数字信号处理是用数字或符号的序数字或符号的序列列来表示信号，来表示信号，通通过计算机或通用算机或通用（专用）信号用）信号处理理设备，对，对信号及信号及所含信息进行所含信息进行表示表示、变换变换并并用数字用数字的数的数值计算方法算方法处理理，以以提取有用提取有用信息。信息。对于于DSP:狭狭义理解可理解可为Digital Signal Processor 数字信号数字信号处理器。广理器。广义理解可理解可为Digital Signal Processing 译为数字信号数字信号处理技理技术。在此我。在此我们讨论的的DSP的概念是指广的概念是指广义的理解。的理解。信号表示：时域和频域表示；信号表示：时域和频域表示；信号变换：离散时间信号变换：离散时间Fourier变换变换（DTFT）、）、离散离散Fourier变换变换DFT）和和z变换，变换，以及变换的快速算法（以及变换的快速算法（FFT）。）。信号处理：滤波、压缩、调制及解调信号处理：滤波、压缩、调制及解调和信号分析。和信号分析。信号运算：延迟、加、减、乘和卷积信号运算：延迟、加、减、乘和卷积等。等。数字信号处理数字信号处理数字信号处理理论基础的核心数字信号处理理论基础的核心C.E.Shannon的抽样定理的抽样定理（AmathematicalTheoryofCommunication,Shannon1948）被工被工程师们公认为影响这个世界的最重要的公式之程师们公认为影响这个世界的最重要的公式之一（根据一项非正式的调查显示，抽样定理列一（根据一项非正式的调查显示，抽样定理列于该调查所排列的于该调查所排列的10个最重要公式中。注意，个最重要公式中。注意，第一位是牛顿第二定律，第二位是万有引力定第一位是牛顿第二定律，第二位是万有引力定律，第五位是律，第五位是Maxwell方程组，抽样定理列第方程组，抽样定理列第八，这足以说明它的重要性。）八，这足以说明它的重要性。）数字信号处理数字信号处理2.2 数字信号处理系统的基本组成数字信号处理系统的基本组成前置预滤波器：前置预滤波器：滤除高于某一频率（滤除高于某一频率（抽抽样频率的一半率的一半)的信号，防混迭。的信号，防混迭。数字信号处理数字信号处理A/D变换器：完成抽样和量化和编码，实现变换器：完成抽样和量化和编码，实现数字化。如图数字化。如图数字信号处理数字信号处理数字信号数字信号数码数码 量化电平量化电平模拟信号模拟信号采样保持信号采样保持信号量化电平量化电平数字信号数字信号处理器理器(DSP)：按照按照预定要求，在定要求，在处理器中将信号序列理器中将信号序列x(n)进行加工行加工处理得到理得到输出信号出信号y(n).y(n)01234n数字信号处理数字信号处理D/A变换器器：经过D/A变换器，将数字信号序列反器，将数字信号序列反过来来变换成模成模拟信号，信号，这些信号在些信号在时间点点0，T，2TnT，上的幅度上的幅度应等于序列等于序列y(n)中相中相应数数码所代表的数所代表的数值大小。大小。即由一个即由一个进制流制流产生一生一个个阶梯波形，是形成模梯波形，是形成模拟信号的第一步。信号的第一步。数字信号处理数字信号处理模拟滤波器（模拟滤波器（后置后置滤波器波器）：）：把把阶梯波形平滑成梯波形平滑成预期的模期的模拟信号。信号。以以滤除掉不需要的高除掉不需要的高频分量，生成所需的分量，生成所需的模模拟信号信号y(t).数字信号处理数字信号处理X(t)Y(t)CR模拟高通滤波器模拟高通滤波器延时延时a数字高通滤波器数字高通滤波器例：最简单的模拟和数字滤波器例：最简单的模拟和数字滤波器数字信号处理数字信号处理2.3 数字信号处理的特点数字信号处理的特点1）精度高精度高模拟系统：由元器件确定（很难达到模拟系统：由元器件确定（很难达到10-3）；）；数字系统：由字长确定，数字系统：由字长确定，17位字位字长就可达就可达10-5精度精度。2）灵活性强灵活性强数字系统的性能主要由乘法器的系数决定。数字系统的性能主要由乘法器的系数决定。只需改只需改变变存存储的系数，就可得到不同的系的系数，就可得到不同的系统，比改，比改变模模拟系系统方方便得多。便得多。3）可靠性高可靠性高只有只有“0”和和“1”两个电平，受温度噪声影响小。两个电平，受温度噪声影响小。数字信号处理数字信号处理4）容易集成容易集成,规范性高，规范性高，便于大便于大规模集成，大模集成，大规模生模生产，对电路参数要求不路参数要求不严，故，故产品成品品成品率高。率高。5）实现多维信号处理：实现多维信号处理：利用利用DSP同同时处理几个通道的信号。理几个通道的信号。存存储单元元庞大，可以存大，可以存储二二维的的图像信号和多像信号和多维的的阵列，列，实现二二维或多或多维滤波及波及谱分析等。分析等。6）可获得高性能指标或特性可获得高性能指标或特性数字信号处理可以完成许多模拟信号处理所达不到数字信号处理可以完成许多模拟信号处理所达不到的功能，如线性相位响应。还有一些模拟信号不的功能，如线性相位响应。还有一些模拟信号不能处理的问题如无损压缩、纠错编码等。能处理的问题如无损压缩、纠错编码等。数字信号处理数字信号处理数字信号处理数字信号处理2.4 2.4 信号处理的实现方法：信号处理的实现方法：1 1）软件实现方法）软件实现方法2 2）硬件实现方法：）硬件实现方法：3 3）采用专用的数字信号处理芯片）采用专用的数字信号处理芯片DSPDSP：DSP芯芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。构的微处理器。是目前发展最快、应用最广的是目前发展最快、应用最广的一种方法。一种方法。它即有硬件它即有硬件实现法法实时的的优点，又点，又具有具有软件件实现的灵活性的灵活性优点点。数字信号处理数字信号处理数字信号处理数字信号处理2.5 数字处理的产生数字处理的产生、发展、应用、发展、应用2.5.1产生：产生：奠定这一理论基础的是奠定这一理论基础的是1948年美国著名信年美国著名信息论专家香农的一篇论文息论专家香农的一篇论文“通讯的数学理论通讯的数学理论”，他第一次提出数字化信息的基本单位：他第一次提出数字化信息的基本单位：比特比特（尼（尼葛洛庞帝把比特比喻作信息领域的葛洛庞帝把比特比喻作信息领域的DNA）；）；并并由此出发提出了一系列近代信息论基本思想。由此出发提出了一系列近代信息论基本思想。由于受硬件条件的限制，信号的数字化处理由于受硬件条件的限制，信号的数字化处理真正开始于六十年代初。真正开始于六十年代初。1965年年J.W.cooley和和J.W.Tukey提出了提出了快速傅里叶变换算法快速傅里叶变换算法，为数字，为数字信号处理开端的里程碑。信号处理开端的里程碑。2.5.2 数字信号处理的发展数字信号处理的发展数字信号处理数字信号处理数字信号处理数字信号处理2.5.3 趋势趋势(1)由简单的运算走向复杂的运算，目前几十位乘几由简单的运算走向复杂的运算，目前几十位乘几十位的全并行乘法器可以在数个纳秒的时间内完成一十位的全并行乘法器可以在数个纳秒的时间内完成一次浮点乘法运算，这无论在运算速度上和运算精度上次浮点乘法运算，这无论在运算速度上和运算精度上均为复杂的数字信号处理算法提供了先决条件；均为复杂的数字信号处理算法提供了先决条件；(2)由低频走向高频，模数转换器的采样频率已高达由低频走向高频，模数转换器的采样频率已高达数百兆赫，可以将视频甚至更高频率的信号数字化后数百兆赫，可以将视频甚至更高频率的信号数字化后送入计算机处理；送入计算机处理；(3)由一维走向多维，像高分辨率彩色电视、雷达、由一维走向多维，像高分辨率彩色电视、雷达、石油勘探等多维信号处理的应用领域已与数字信号处石油勘探等多维信号处理的应用领域已与数字信号处理结下了不解之缘。理结下了不解之缘。(4)各种数字信号处理系统均几经更新换代各种数字信号处理系统均几经更新换代数字信号处理数字信号处理年代特点$/MIPS60年代大学探索$100-$1,00070年代军事运用$10-$10080年代商用成功$1-$1090年代进入消费类电子$0.1-$1今后生活用品$0.01-$0.12.5.4发展特点发展特点2.5.3数字信号处理数字信号处理的典型的典型应用用1）经典信号典信号处理：数字理：数字滤波、自适波、自适应滤波、快波、快速付里叶速付里叶变换、相关运算、相关运算、频谱分析、卷分析、卷积等。等。2）现代信号代信号处理理：AR、ARMA、卡卡尔曼曼滤波、波、小波小波变换等。等。3）语音音处理理：语音音编码、语音合成、音合成、语音音识别、语音增音增强、语音音邮件、件、语音音储存等。存等。4）图像像/图形形：二：二维和三和三维图形形处理、理、图像像压缩与与传输、图像像识别、动画、机器人画、机器人视觉、多、多媒体、媒体、电子地子地图、图像增像增强等。等。数字信号处理数字信号处理数字信号处理数字信号处理每章一话每章一话数字信号处理技术是一门理论和实践相比数字信号处理技术是一门理论和实践相比较强的课程，是协同智能发展的学科。较强的课程，是协同智能发展的学科。每每日识多一点即是智，日识多一点即是智，人之所以能是相信能。人之所以能是相信能。数字信号处理数字信号处理第一次作业题：第一次作业题：1.根据你身边的数字信号处理应用的例根据你身边的数字信号处理应用的例子。子。写一篇写一篇综述文章，主要方面述文章，主要方面为DSP的的技技术、发展展趋势、或在某一方面的研究，、或在某一方面的研究，或是了解某一或是了解某一领域用域用DSP的的前景等。的的前景等。2.要求按要求按论文写作要求。有文写作要求。有题目、作者、摘目、作者、摘要、关要、关键字、参考文献及外文摘要。字、参考文献及外文摘要。上交上交时间为第三周本次课第三周本次课。数字信号处理数字信号处理语音音压缩在手机中用可将语音压缩至13bsp，在Inmarsat 卫星电话中用将语音压缩至4.3bps后，仍具有良好的清晰度。在语音信箱、留言电话方面也都采用语音压缩技术和。数字信号处理数字信号处理图像像处理理数字信号数字信号处理技理技术应用于用于图像像处理有：理有：（1）数据）数据压缩:采用采用压缩编码，可在保，可在保证一定一定图像（或声音）像（或声音）质量的条件下，以最小的数据率来表达和量的条件下，以最小的数据率来表达和传送送图像（或声音）信息。像（或声音）信息。（2）图像复原像复原（3）清晰化与增）清晰化与增强由于由于单个数字个数字图像以像以1兆个采兆个采样值的量的量级表表示，所以要求高性能的示，所以要求高性能的处理机、高密度的数据存理机、高密度的数据存储器。即要求高器。即要求高速度硬件。速度硬件。数字信号处理数字信号处理会会议电视和可和可视电话采用完成采用完成视频图像信号的像信号的压缩，制成可通制成可通过公用公用电话交交换网网()传输的会的会议电视或可或可视电话。数字信号处理数字信号处理雷达雷达在军事上，雷达、计算机、射击武器等组成一个自动控制系统。当目标进入雷达的作用半径以内并被雷达自动跟踪时，雷达就测量出目标的当前位置(距离、方位角和高低角)，并把数据送入计算机，推算出目标的航向，航速，引导导弹或自动火炮去击中目标(爱国者导弹对飞毛腿导弹)。雷达系统是应用高性能数字信号处理技术的一个例子。雷达系统主要信号处理功能包括：信号产生、匹配滤波、门限比较、目标参数(如射程、方位和速度)估计。数字信号处理数字信号处理通信通信整个通信领域几乎没有不受数字信号处理技术影响的地方。(占60%）DSP主要应用于通信的热门产品中。如：蜂窝电话（Cellular phone)、ADSL调制解调器、线缆调制解调器(Cable modem)、蓝牙技术(bluetooth)产品，数字电话应答机（digital telephone answering device)、全球定位系统（global positioning system，GPS），卫星电话(satellite phone)、电话会议(conference speaker phone)、电视电话会议编译码器(video conferencing code)、IP电话(voice over IP)、IP传真(fax over IP)、ATM电话(voice over ATM)、智能天线(smart antenna)、PCS用户端(subscriber set)。数字信号处理数字信号处理回声抵消装置回声抵消装置利用通信卫星打越洋长途电话时，因静止卫星离地球表面36000，通信延时为0.24，就会在话机中听到自己的讲话，影响正常通话，现在采用了做的回声抵消器，可把回声抑制掉。数字信号处理数字信号处理调制解制解调器器调制解调器()。为在电话线上传输计算机数据，采用可做成符合规定的各种调制解调器，尤其是符合.32、.33、.34建议的高速，都可用软件加以实现数字信号处理数字信号处理电话、电报脉冲编码调制PCM：抗干扰性强。但其对语音信号进行PCM编码，码率64kb/s。为了提高信道的利用率，必须压缩语音码率。语音压缩编码的方法很多，如自适应差分脉调制（ADPCM），32kb/s的数码率达到了长途电话的质量标准，且复杂程度较低，1988年被CCITT（国际电报电话咨询委员会）建议为长途传输中的一种新型国际通用语音编码方法。数字信号处理数字信号处理扩频通信通信与数据压缩相反。它的根据是仙农编码定理：在一定的条件下，只要码的长度充分大时，一定存在一种编码、译码方法，使错误译码率充分小。近年来，在国防上实现发射功率隐蔽与抗电子干扰，采用了扩频通信技术，用300千比特/秒的数码率传送64千比特/秒的语音，可以使敌方对此信号难以侦察或干扰。数字信号处理数字信号处理OFDM(正交正交频分复用分复用)通信技通信技术OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）正交频分复用作为一种多载波传输技术，主要应用于数字视频广播系统、MMDS（multichannel multipoint distribution service）多信道多点分布服务和WLAN服务以及下一代陆地移动通信系统。OFDM将数据经编码后调制为射频信号。不像常规的单载波技术，如AM/FM（调幅/调频）在某一时刻只用单一频率发送单一信号，OFDM在经过特别计算的正交频率上同时发送多路高速信号。可选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法.近年来，OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术将被更广泛应用于宽带移动通信领域。数字信号处理数字信号处理生物医学信号生物医学信号处理理生物医学信号处理CT/CAT CT：计算机X射线断层摄影装置。其中头颅CT英国EMI公司豪斯菲尔德获诺贝尔奖。CAT:计算机X射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建。数字信号处理数字信号处理消消费类电子子产品的品的应用用在消费类电子产品（consumer electronics)采用技术已越来越多。例如:(1)唱机。在所有唱机和光盘驱动器中都采用做信号解调和误码校正，保证 声音（采用1.4/回放）或优质图像的回放.数字多用光盘（DVD digital versatile disk)、数字电视/高清晰电视(digital TV/HDTV)、数字助听器(digital hearing aid)，数字相机芯片(digital camera chip)、MPEG(Moving Picture Experts Group)编解码芯片(encoder chip)、MPEG译码器芯片(decoder chip)、MP3播放机芯片(player chip)、机顶盒(set top box)。(2)组合音响。高级的组合音响现都用完成围绕声、各种环境声场的模拟、混响、均衡等。数字信号处理数字信号处理