数字信处理绪论课件

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1、1数字信号处理D Digital S Signal P Processing2 若干概念若干概念 通信想要传送的对象。如语音、图像、文字等。通信想要传送的对象。如语音、图像、文字等。 消息的有效内容。不同消息可有相同内容。消息的有效内容。不同消息可有相同内容。 携带了携带了消息（信息）的某种物理量，以其为载体。消息（信息）的某种物理量，以其为载体。 如电信号、光信号等。如电信号、光信号等。 分析随时间变化的物理过程的科学，对信号分析随时间变化的物理过程的科学，对信号 进行所需的变换，使之便于分析识别和利用。进行所需的变换，使之便于分析识别和利用。消息消息：信息信息：信号信号：课程概况信号处理信

2、号处理：3课程概况 若干概念（续）若干概念（续） 状态连续变化的消息。状态连续变化的消息。 消息的状态数是有限的，或消息的状态数是有限的，或 消息状态是离散型的。消息状态是离散型的。 消息的传递是通过它的物质载体消息的传递是通过它的物质载体电信号电信号来实现的，来实现的， 即把消息寄托在电信号的某一参量上（如即把消息寄托在电信号的某一参量上（如连续波的幅度连续波的幅度、频率或相位频率或相位； 脉冲波的幅度脉冲波的幅度、宽度或位置宽度或位置）。按信号参量）。按信号参量的取值方式不同可把信号分为两类，即的取值方式不同可把信号分为两类，即模拟信号模拟信号和和数字信数字信号号。 信号的某参量取值是连续

3、或离散的。信号的某参量取值是连续或离散的。yyttttyy 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号连续连续时间时间信号信号离散离散时间时间信号信号连续消息（模拟消息）连续消息（模拟消息）：离散消息（数字消息）离散消息（数字消息）：模拟信号、数字信号模拟信号、数字信号：4课程概况 数字信号处理数字信号处理是把信号表示成数字符号序列，是把信号表示成数字符号序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数字的数值计算方法处理（例如滤波、变换、压缩、字的数值计算方法处理（例如滤波、变换、压缩、增强、估计、识别等），以达到提取有用信息便增强、估计、识别等），以达到提

4、取有用信息便于应用的目的。于应用的目的。 数字信号处理主要是对幅度和时间都是离散数字信号处理主要是对幅度和时间都是离散的信号进行变换。的信号进行变换。 理论研究，包括快速算法的研究理论研究，包括快速算法的研究 DSP算法在各信号处理领域中的应用算法在各信号处理领域中的应用 DSP的硬件实现及固件开发的硬件实现及固件开发数字信号处理的研究方向数字信号处理的研究方向：5先修课程先修课程：高等数学、复变函数、信号与系统高等数学、复变函数、信号与系统课程概况 32学时（含学时（含8个上机学时）个上机学时）考核方法考核方法：平时成绩（作业、考勤）占平时成绩（作业、考勤）占30 % 考试占考试占70 %（

5、闭卷）闭卷）后续课程后续课程：语音信号数字处理、数字图像处理、语音信号数字处理、数字图像处理、 数字视频处理数字视频处理 数字信号处理器系统数字信号处理器系统 本课程较难，学习数字信号处理和学习数学一样，本课程较难，学习数字信号处理和学习数学一样，没有平坦的大路，唯一办法是仔细研究。如果你理解没有平坦的大路，唯一办法是仔细研究。如果你理解得比较慢，就将它们多读几遍和多参考资料。得比较慢，就将它们多读几遍和多参考资料。 如果坚持下去，如果坚持下去，“失败是不可能的失败是不可能的”。6参考书参考书： 数字信号处理数字信号处理实验指导书实验指导书 Sanjit K. Mitra著，著，孙洪、余翔宇译

6、孙洪、余翔宇译 电子工业出版社电子工业出版社 离散时间信号处理（第离散时间信号处理（第2版）版） A.V.奥本海姆等著，刘树棠、黄建国译奥本海姆等著，刘树棠、黄建国译 西安交通大学出版社西安交通大学出版社 数字信号处理（原书第数字信号处理（原书第2版）版） Richard G. Lyons著，朱光明等译著，朱光明等译 机械工业出版社机械工业出版社 数字信号处理教程（第二版）数字信号处理教程（第二版） 程佩青著，程佩青著，清华大学出版社清华大学出版社 数字信号处理学习辅导数字信号处理学习辅导 赵健等编著，赵健等编著，清华大学出版社清华大学出版社 数字信号处理（全美经典学习指导系列）数字信号处理（

7、全美经典学习指导系列） M.H.海因斯著，张建华等译海因斯著，张建华等译 科学出版社科学出版社 数字信号处理教程习题分析与解答数字信号处理教程习题分析与解答(第二版第二版) 程佩青著，程佩青著，清华大学出版社清华大学出版社课程概况7课程概况网络资源网络资源： 高校精品课程网站，国家级：东南大学高校精品课程网站，国家级：东南大学 电子科技大学电子科技大学 华南理工大学华南理工大学 武汉理工大学武汉理工大学 国防科技大学（信号处理与系统）国防科技大学（信号处理与系统） 省级：省级：8 一、基本概念一、基本概念 1. 1.信号信号 2. 2.系统系统 3. 3.信号处理信号处理 第1章 绪论9 1、

8、信号、信号 信号信号：信息的物理表现形式；：信息的物理表现形式； 传递信息的函数传递信息的函数 信号的分类信号的分类： - 周期信号周期信号 / 非周期信号非周期信号 - 确定信号确定信号 / 随机信号随机信号 - 能量信号能量信号 / 功率信号功率信号 - 连续时间、离散时间信号连续时间、离散时间信号 / 模拟、数字信号模拟、数字信号第1章 绪论10 2、系统、系统 系统系统：将信号进行处理（或变换）以达到人将信号进行处理（或变换）以达到人们要求的各种设备。系统可以是硬件的，也们要求的各种设备。系统可以是硬件的，也可以是软件编程实现的。可以是软件编程实现的。 系统的分类系统的分类（按所处理的

9、信号种类不同分类）：（按所处理的信号种类不同分类）： - 连续时间信号系统连续时间信号系统 - 离散时间信号系统离散时间信号系统 - 模拟信号系统模拟信号系统 - 数字信号系统数字信号系统第1章 绪论11 3、信号处理、信号处理 信号处理的分类信号处理的分类：CRxa(t)ya(t)延时x(n)y(n)a- 模拟信号处理模拟信号处理- 数字信号处理数字信号处理第1章 绪论12 模拟信号处理是传统的信号处理手模拟信号处理是传统的信号处理手段，它采用模拟设备对模拟信号进行处段，它采用模拟设备对模拟信号进行处理。由于模拟系统的局限性，系统性能理。由于模拟系统的局限性，系统性能不能达到很高，也不能进行

10、复杂的信号不能达到很高，也不能进行复杂的信号处理任务。处理任务。 数字信号处理系统具有很多优点，数字信号处理系统具有很多优点，可以完成复杂的处理任务，在很多场合可以完成复杂的处理任务，在很多场合正逐步取代传统的模拟信号处理。正逐步取代传统的模拟信号处理。二、二、 数字信号处理的基本概念数字信号处理的基本概念第1章 绪论13 在如图所示的处理系统中，在如图所示的处理系统中，H H( (z z) )是核是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述在理论上建立一套描述x x( (n n),),y y( (n n) )和和H H( (z z) )特性

11、的方法和算法，并研究在工程上如何特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。实现这一系统。 图图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程用数字方法处理模拟信号的过程模拟信号模拟信号第1章 绪论14 在如图所示的处理系统中，在如图所示的处理系统中，H H( (z z) )是核是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述在理论上建立一套描述x x( (n n),),y y( (n n) )和和H H( (z z) )特性的方法和算法，并研究在工程上如何特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。实现这一系统。 图图1.1 用数字方法处理模

12、拟信号的过程用数字方法处理模拟信号的过程前置模拟低通滤波器。它的作用前置模拟低通滤波器。它的作用是对模拟信号是对模拟信号xa(t)进行预处理，进行预处理，改善信号的带限性能，有利于后改善信号的带限性能，有利于后续的采样，具有抗混叠作用。续的采样，具有抗混叠作用。第1章 绪论15 在如图所示的处理系统中，在如图所示的处理系统中，H H( (z z) )是核是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述在理论上建立一套描述x x( (n n),),y y( (n n) )和和H H( (z z) )特性的方法和算法，并研究在工程上如何特性的方法和算

13、法，并研究在工程上如何实现这一系统。实现这一系统。 图图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程用数字方法处理模拟信号的过程滤波后的模拟信号滤波后的模拟信号第1章 绪论16 在如图所示的处理系统中，在如图所示的处理系统中，H H( (z z) )是核是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述在理论上建立一套描述x x( (n n),),y y( (n n) )和和H H( (z z) )特性的方法和算法，并研究在工程上如何特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。实现这一系统。 图图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程用数字方法处理模拟

14、信号的过程采样的作用是对采样的作用是对x(t)进行自变量进行自变量t 的离散化。的离散化。第1章 绪论17 在如图所示的处理系统中，在如图所示的处理系统中，H H( (z z) )是核是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述在理论上建立一套描述x x( (n n),),y y( (n n) )和和H H( (z z) )特性的方法和算法，并研究在工程上如何特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。实现这一系统。 图图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程用数字方法处理模拟信号的过程T为均匀采样间隔为均匀采样间隔第1章 绪论18 在如

15、图所示的处理系统中，在如图所示的处理系统中，H H( (z z) )是核是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述在理论上建立一套描述x x( (n n),),y y( (n n) )和和H H( (z z) )特性的方法和算法，并研究在工程上如何特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。实现这一系统。 图图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程用数字方法处理模拟信号的过程ADC是模数转换器，是对是模数转换器，是对采样后的信号进行幅度二采样后的信号进行幅度二进制量化，使信号变成离进制量化，使信号变成离散的二进制数散的二进制数x(n)。

16、第1章 绪论19 在如图所示的处理系统中，在如图所示的处理系统中，H H( (z z) )是核是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述在理论上建立一套描述x x( (n n),),y y( (n n) )和和H H( (z z) )特性的方法和算法，并研究在工程上如何特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。实现这一系统。 图图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程用数字方法处理模拟信号的过程H(z)表示一个表示一个DSP系统，系统，完成对完成对x(n)的处理。的处理。第1章 绪论20 在如图所示的处理系统中，在如图所示的处理系统中

17、，H H( (z z) )是核是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述在理论上建立一套描述x x( (n n),),y y( (n n) )和和H H( (z z) )特性的方法和算法，并研究在工程上如何特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。实现这一系统。 图图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程用数字方法处理模拟信号的过程DAC是数模转换器，它把处是数模转换器，它把处理后的数字信号理后的数字信号y(n)转换成转换成模拟信号模拟信号y(t) 。第1章 绪论21 在如图所示的处理系统中，在如图所示的处理系统中，H H( (z z

18、) )是核是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述在理论上建立一套描述x x( (n n),),y y( (n n) )和和H H( (z z) )特性的方法和算法，并研究在工程上如何特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。实现这一系统。 图图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程用数字方法处理模拟信号的过程Hr(s)表示一个模拟低通滤表示一个模拟低通滤波器，它的作用是平滑波器，它的作用是平滑DAC的输出，滤除的输出，滤除DAC引引起的高频噪声。起的高频噪声。第1章 绪论22 在如图所示的处理系统中，在如图所示的处理系统中，H H

19、( (z z) )是核是核心环节，数字信号处理研究的主要任务是心环节，数字信号处理研究的主要任务是在理论上建立一套描述在理论上建立一套描述x x( (n n),),y y( (n n) )和和H H( (z z) )特性的方法和算法，并研究在工程上如何特性的方法和算法，并研究在工程上如何实现这一系统。实现这一系统。 图图1.1 用数字方法处理模拟信号的过程用数字方法处理模拟信号的过程第1章 绪论23数字信号处理的特点：数字信号处理的特点： 精度高精度高 灵活性好灵活性好 可靠性高可靠性高 便于大规模集成便于大规模集成 复用性强复用性强 多维处理多维处理第1章 绪论24 1精度高精度高 DSP系

20、统的精度主要取决于数字器件系统的精度主要取决于数字器件 的精度的精度, ,具体就是字长，字长越长，精度具体就是字长，字长越长，精度 越高。在很多精密的处理和测量系统中，越高。在很多精密的处理和测量系统中， 必须采用数字信号处理技术，否则就无法必须采用数字信号处理技术，否则就无法 达到所需的精度和性能要求。达到所需的精度和性能要求。 另外，有些性能另外，有些性能DSP系统很容易实现，系统很容易实现，而使用模拟系统实现却相当困难。而使用模拟系统实现却相当困难。第1章 绪论25 2灵活性好灵活性好 用用DSP系统完成一个信号处理功能时，系统完成一个信号处理功能时，可以通过软件方便地调整和改变系统的性

21、可以通过软件方便地调整和改变系统的性能，控制整个系统的运行状态，体现了系能，控制整个系统的运行状态，体现了系统的可编程性。统的可编程性。 另外，可以在实验室对系统的参数进另外，可以在实验室对系统的参数进行硬件和软件仿真模拟，以估计整个系统行硬件和软件仿真模拟，以估计整个系统的质量。的质量。第1章 绪论26 3 可靠性高可靠性高 DSP系统大多是由系统大多是由CPU、存储器和、存储器和I/O接口器件等数字集成电路器件构成，受环境接口器件等数字集成电路器件构成，受环境因素的影响相对模拟器件要小得多，可编程因素的影响相对模拟器件要小得多，可编程系统还可以采用许多抗干扰方法，大大提高系统还可以采用许多

22、抗干扰方法，大大提高了系统的可靠性。了系统的可靠性。第1章 绪论27 4 便于大规模集成便于大规模集成 DSP系统主要由中大规模集成电路等器系统主要由中大规模集成电路等器 件构成，便于大规模集成和生产，可大大降件构成，便于大规模集成和生产，可大大降 低生产成本，特别是在处理极低频率的信号低生产成本，特别是在处理极低频率的信号 时，体积重量不受影响，比模拟系统要优越时，体积重量不受影响，比模拟系统要优越 许多。许多。第1章 绪论28 5 复用性强复用性强 利用一套利用一套DSP系统可以同时处理多路数系统可以同时处理多路数 字信号，因为数字信号的各采样点之间有一字信号，因为数字信号的各采样点之间有

23、一 定的采样间隔，在这个间隔里可以同时处理定的采样间隔，在这个间隔里可以同时处理 几路信号。几路信号。 另外，在级联另外，在级联DSP系统中，为节省成本，系统中，为节省成本，可以使用一个低阶环节分时执行，来完成总可以使用一个低阶环节分时执行，来完成总系统的任务。这都属于一种时分复用的结构。系统的任务。这都属于一种时分复用的结构。 第1章 绪论29 6 多维处理多维处理 DSP系统可以配备大容量的外部存储器，系统可以配备大容量的外部存储器，可以将多帧图像或多路传感器信号存储起来，可以将多帧图像或多路传感器信号存储起来，实现二维或多维信号的处理。实现二维或多维信号的处理。 例如：激光影碟机、医用例

24、如：激光影碟机、医用CT等图像处理等图像处理设备就是依靠设备就是依靠DSP系统完成了复杂图像编码、系统完成了复杂图像编码、压缩和解码以及扫描成像等处理。压缩和解码以及扫描成像等处理。第1章 绪论30第1章 绪论三、数字信号处理的发展史三、数字信号处理的发展史 理论、快速算法理论、快速算法傅立叶傅立叶拉普拉斯拉普拉斯图基图基认识一位巨人认识一位巨人的研究方法，的研究方法，对于科学的进对于科学的进步，步，并不并不比发现本身更比发现本身更少用处。科学少用处。科学研究的方法经研究的方法经常是极富兴趣常是极富兴趣的部分。的部分。31第1章 绪论 电子管、晶体管、集成电路、大规模电子管、晶体管、集成电路、

25、大规模 集成电路集成电路 DSP器件器件 DSP技术的应用技术的应用32四、数字信号处理的应用四、数字信号处理的应用 数字信号处理技术的应用，目前正数字信号处理技术的应用，目前正以惊人的速度向前发展，毫无停滞的迹以惊人的速度向前发展，毫无停滞的迹象。随着数字器件的成本降低、体积缩象。随着数字器件的成本降低、体积缩小及运算速度的提高，特别是高速小及运算速度的提高，特别是高速A/D器件和高速器件和高速DSP芯片的广泛使用，使得芯片的广泛使用，使得它的应用前景更加广阔。它的应用前景更加广阔。 第1章 绪论33数字信号处理的典型应用：数字信号处理的典型应用： 通用通用DSP：数字滤波、卷积、相关、希尔

26、伯：数字滤波、卷积、相关、希尔伯特变换、特变换、FFT、信号发生器等；、信号发生器等； 语音：语音通信、语音编码、识别、合成、语音：语音通信、语音编码、识别、合成、增强、文字增强、文字语音自动翻译等；语音自动翻译等； 图像图形：机器人视觉，图像传输图像图形：机器人视觉，图像传输/压缩，压缩，图像识别、增强和恢复、断层扫描成像等；图像识别、增强和恢复、断层扫描成像等； 控制：磁盘控制器、机器人控制、激光打印控制：磁盘控制器、机器人控制、激光打印机、电机控制、卡尔曼滤波等；机、电机控制、卡尔曼滤波等；第1章 绪论34 军事：雷达、保密通信、声纳、导航、导弹军事：雷达、保密通信、声纳、导航、导弹制导

27、、传感器融合等；制导、传感器融合等； 电讯电讯/通信：回声抵消、调制解调器、蜂窝通信：回声抵消、调制解调器、蜂窝电话、个人通信、视频会议、自适应均衡、电话、个人通信、视频会议、自适应均衡、编码编码/译码、译码、GPS等；等； 汽车：自动驾驶控制、故障分析、导航、汽汽车：自动驾驶控制、故障分析、导航、汽车音响等；车音响等； 消费：数字音响消费：数字音响/电视、电视、MP3播放器播放器、数码、数码相机、音乐综合器等。相机、音乐综合器等。 第1章 绪论35 五、数字信号处理的研究内容五、数字信号处理的研究内容 数字信号处理的研究内容一般可以分数字信号处理的研究内容一般可以分为为3大类：大类：一维一维

28、DSP ，多维多维DSP和和DSP系系统实现统实现。一维。一维DSP主要研究一维离散时间主要研究一维离散时间信号和系统，是数字信号处理最重要、最信号和系统，是数字信号处理最重要、最基本的研究内容。多维基本的研究内容。多维DSP主要研究二维主要研究二维图像、阵列传感器离散信号和系统，属较图像、阵列传感器离散信号和系统，属较深的研究内容。第深的研究内容。第3类研究内容类研究内容属应用。属应用。第1章 绪论36 DSP的理论主要包括：的理论主要包括：（1）模拟信号的采样（）模拟信号的采样（A/D变换、采样理论、量化噪声变换、采样理论、量化噪声分析等）；分析等）；（2）离散信号分析（时域及频域分析、傅

29、里叶变换、）离散信号分析（时域及频域分析、傅里叶变换、Z变变换、希尔伯特变换等）；换、希尔伯特变换等）；（3）离散系统分析与综合（离散系统描述、因果及稳定）离散系统分析与综合（离散系统描述、因果及稳定性、线性非时变系统、卷积、系统频率响应、系统函数、性、线性非时变系统、卷积、系统频率响应、系统函数、数字滤波器设计等）；数字滤波器设计等）；（4）信号处理的快速算法）信号处理的快速算法（FFT、快速卷积与相关）；快速卷积与相关）；（5）信号处理的特殊算法（抽取、插值、奇异值分解、）信号处理的特殊算法（抽取、插值、奇异值分解、反卷积、投影与重建等）。反卷积、投影与重建等）。第1章 绪论37 （1 1

30、）在通用计算机上用软件实现。在通用计算机上用软件实现。软件采用软件采用高级语言编写，也可利用商品化的各种高级语言编写，也可利用商品化的各种DSP软件（软件（MATLAB、SYSTEMVIEW等）。等）。 这种实现方法简单、灵活，但实时性这种实现方法简单、灵活，但实时性差，很少用于实时系统，主要用于教学或科差，很少用于实时系统，主要用于教学或科研的前期研制阶段。研的前期研制阶段。 DSP系统的实现方法：系统的实现方法：第1章 绪论38 （2 2）用普通单片微控制器（用普通单片微控制器（MCU）实现。实现。单片机技术发展很快，功能越来越强，可以单片机技术发展很快，功能越来越强，可以用来做一些简单信

31、号处理，但不能用于复杂用来做一些简单信号处理，但不能用于复杂的信号处理，可以用于比较简单的控制场合，的信号处理，可以用于比较简单的控制场合，如小型嵌入系统、仪表等。如小型嵌入系统、仪表等。 （3 3）用通用用通用DSP芯片实现。芯片实现。DSP芯片有着芯片有着MCU无法比拟的突出优点：内部硬件乘法无法比拟的突出优点：内部硬件乘法器、流水线和多总线结构、专用器、流水线和多总线结构、专用DSP处理指处理指令，具有很高令，具有很高的处理速度和复杂灵活的处理的处理速度和复杂灵活的处理功能。功能。第1章 绪论39 （4 4）用专用用专用DSP芯片实现。芯片实现。市场推出的一些市场推出的一些 有特殊用途的

32、有特殊用途的DSP芯片可专门用于芯片可专门用于FFT、FIR 滤波、卷积和相关等处理，其软件算法已固滤波、卷积和相关等处理，其软件算法已固 化在芯片内部，使用非常方便。这种实现方化在芯片内部，使用非常方便。这种实现方 式比通用式比通用DSP速度更高，但功能比较单一，速度更高，但功能比较单一， 灵活性不如通用灵活性不如通用DSP好好。第1章 绪论40本章要点本章要点 本章主要介绍了数字信号处理的基本概本章主要介绍了数字信号处理的基本概 念、特点、研究内容、应用以及学习方法等。念、特点、研究内容、应用以及学习方法等。 数字信号处理的研究内容和理论体系有其数字信号处理的研究内容和理论体系有其自身的特点与规律，因此应按照它本身的规律自身的特点与规律，因此应按照它本身的规律来学习和研究，而不应当把它看成是模拟信号来学习和研究，而不应当把它看成是模拟信号处理的一种近似。处理的一种近似。 学习数字信号处理，要以系统为中心，要学习数字信号处理，要以系统为中心，要正确建立正确建立DSP的的系统概念。系统概念。41To be continuedTo be continued