数字信号处理(王震宇 张培珍编)绪论.ppt
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1、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 PDAsBiom
2、etricsMedical 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
3、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、
4、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。
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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(
11、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
12、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
13、、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Maxw
14、ell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
15、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
16、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。
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