《数字信号处理1》ppt课件

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1、数 字 信 号 处 理,绪 论,一、从模拟到数字,1、信号：信号传递信息的函数也是独立变量的函数，这个变量可以是时间、空间位置等。 2、连续信号：在某个时间区间，除有限间断点外所有瞬时均有确定值。 3、模拟信号是连续信号的特例。时间和幅度均连续。 4、离散信号：时间上不连续，幅度连续。 5、数字信号：幅度量化，时间和幅度均不连续。,数字信号处理采用数字系统完成信号处理的任务，它具有数字系统的一些共同优点，例如抗干扰、可靠性强，便于大规模集成等。除此而外，与传统的模拟信号处理方法相比较，它还具有以下一些明显的优点：,二、数字信号处理的主要优点,1、精度高,在模拟系统的电路中，元器件精度要达到以上

2、已经不容易了，而数字系统17位字长可以达到的精度，这是很平常的。例如，基于离散傅里叶变换的数字式频谱分析仪，其幅值精度和频率分辨率均远远高于模拟频谱分析仪。,数字信号处理采用了专用或通用的数字系统，其性能取决于运算程序和乘法器的各系数，这些均存储在数字系统中，只要改变运算程序或系数，即可改变系统的特性参数，比改变模拟系统方便得多。,2、灵活性强,例如： 有限长单位脉冲响应数字滤波器可以实现严格的线性相位； 在数字信号处理中可以将信号存储起来，用延迟的方法实现非因果系统，从而提高了系统的性能指标； 数据压缩方法可以大大地减少信息传输中的信道容量。,3、可以实现模拟系统很难达到的指标或特性,利用庞

3、大的存储单元，可以存储二维的图像信号或多维的阵列信号，实现二维或多维的滤波及谱分析等。,4、可以实现多维信号处理,（1）增加了系统的复杂性。他需要模拟接口以及比较复杂的数字系统。 （2）应用的频率范围受到限制。主要是A/D转换的采样频率的限制。 （3）系统的功率消耗比较大。数字信号处理系统中集成了几十万甚至更多的晶体管，而模拟信号处理系统中大量使用的是电阻、电容、电感等无源器件，随着系统的复杂性增加这一矛盾会更加突出。,5、缺点,三、发展特点,(1)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

4、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；,(3)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,在图像处理方面，图像数据压缩是多媒体通信、影碟机(VCD或DVD)和高清晰度电视(HDTV)的关键技术。国际上先后制定的标准H.261、JPEG、MPEG1和MPEG2中均使用了离散余弦变换(DCT)算法。近年来发展起来的小波(Wavelet)变换也是一种具有高压缩比和快速运算特点的崭新压缩技术，

5、应用前景十分广阔，可望成为新一代压缩技术的标准。,年代特点 $/MIPS 60年代大学探索 $100-$1,000 70年代军事运用 $10-$100 80年代商用成功 $1-$10 90年代进入消费类电子 $0.1-$1 今后生活用品 $0.01-$0.1,三、发展特点,四、各种数字信息系统,Digital Media Processing,Webpad,Telematics,Wireless Devices:802.11, Bluetooth, Others,Enhanced Gaming,Military and Government Cellular, Secure Connectiv

6、ity,Industry-Specific PDAs,Biometrics,Medical Devices,在机械制造中，基于 FFT算法的频谱分析仪用于振动分析和机械故障诊断；医学中使用数字信号处理技术对心电(ECG)和脑电(EEG)等生物电信号作分析和处理；数字音频广播(DAB)广泛地使用了数字信号处理技术。可以说，数字信号处理技术已在信息处理领域引起 了广泛的关注和高度的重视。,数字信号处理不断开辟新的应用领域,五、数字信号处理系统的实现,软件实现 硬件实现 片上系统（SOC, System on a Chip）,软件实现是用一台通用的数字计算机运行数字信号处理程序。其优点是经济，一机可

7、以多用；缺点是处理速度慢，这是由于通用数字计算机的体系结构并不是为某一种特定算法而设计的。在许多非实时的应用场合，可以采用软件实现方法。例如，处理一盘混有噪声的录像(音)带，我们可以将图像(声音)信号转换成数字信号并存入计算机，用较长的时间一帧帧地处理这些数据。处理完毕后，再实时地将处理结果还原成一盘清晰的录像(音)带。通用计算机即可完成上述任务，而不必花费较大的代价去设计一台专用数字计算机。,数字信号处理的软件实现,硬件实现是针对特定的应用目标，经优化，设计一专用的软硬件系统。其优点是容易做到实时处理，缺点是设备只能专用。,数字信号处理的硬件实现,片上系统（SOC, System on a

8、Chip）,随着大规模集成电路的发展，一个复杂数字信号处理系统已可以集成在一个芯片上。SOC包含有数字和模拟电路、模拟和数字转换电路、微处理器、微控制器以及数字信号处理器等。与传统的集成电路不同的是，嵌入式软件的设计也被集成到了SOC的设计流程中，SOC的设计方法将以组装为基础，采用自上至下的设计方法，在设计过程中大量重复使用自行设计或其他第三方拥有知识产权的IP(Intelligent Property)模块。SOC要充分考虑如何合理划分软件和硬件所实现的系统功能以及如何实现软、硬件之间的信息传递。SOC将是数字信号处理系统的一个新型的实现方法。,并行是指为了完成同一个任务，几个处理器同时工

9、作，使系统能胜任单个处理器所不能完成的任务；当一个处理器完成单个任务(比如一个滤波器)有很大的富余量时，可让其完成多个任务，这就是复用；流水结构也是多处理器完成同一任务，它与并行结构的主要区别在于并行的各个处理器之间数据交换不多，而流水结构类似于生产中的流水线，数据经一道道“工序”处理。采用并行或流水结构，完全取决于数字信号处理的运算结构。,并行、复用和流水,研究内容 经典的数字信号处理限于线性时不变系统理论, 数字滤波和FFT是常用方法。目前DSP研究热点： 时变非线性系统、非平稳信号、 非高斯信号处理方法的发展：自适应滤波、 离散小波变换、 高阶矩分析、盲处理、分形、混沌理论,第1章 离散

10、时间信号与系统,离散时间信号 离散信号的傅氏变换与Z变换 离散时间系统 系统函数,1.1 离散时间信号,（）单位脉冲序列,（）单位阶跃序列,（）矩形序列,1 N-1 n,（）实指数序列,（）正弦序列,x(n) = sin（n0）,sin(n0),-1,（）复指数序列,当,时x(n)的实部和虚部,分别是余弦和正弦序列。,x(n) = (0.65 + j0.5)nu(n).,序列的运算,1、序列的相加 z(n)=x(n)+y(n),2、序列的相乘 f(n)=x(n) y(n),3、序列的移位 y(n)=x(n-n0),4、序列的能量,平方可和序列,绝对可和序列,有界序列,6、序列的单位脉冲序列表示

11、,5、实序列的偶部和奇部,1.2 离散信号的DTFT与z变换,一、 离散信号的DTFT变换 离散信号（数字序列）的DTFT定义 数字序列的IDTFT变换定义 DTFT中的级数求和不一定总是收敛的，若x(n)绝对可和，则该级数绝对收敛(充分条件)。 另外,平方可和序列的DTFT也存在,要强调的是平方可和序列不一定满足绝对可和的条件。,值得指出： （1）由于 ，所以 是以2为周期的周期函数。 （2）DTFT 正是周期函数 的付氏级数展开，而x(n)是付氏级数的系数。这一概念在以后滤波器设计中有用。 DTFT的一些主要性质见表1.2。,二 、 z变换定义 利用差分方程可求离散系统的结构及瞬态解，为了

12、分析系统的另外一些重要特性，如稳定性和频率响应等，需要研究离散时间系统的z变换（类似于模拟系统的拉氏变换），它是分析离散系统和离散信号的重要工具。 一个离散序列 x（n）的Z变换定义为 其中z为复变量，以其实部为横坐标，虚部为纵坐标构成的平面为 z 平面。,常用Zx(n)表示对序列x(n)的 z 变换，即,这种变换也称为双边 z 变换，与此相应还有单边 z 变换，单边 z 变换只是对单边序列（n=0部分）进行变换的z变换，其定义为 单边z变换只在少数情况下与双边z变换有所区别，即序列的起始条件不同，可以把单边z变换看成是双边z变换的一种特例，即因果序列情况下的双边z变换。,三、 z变换的收敛域

13、 一般，序列的Z变换 并不一定对任何z值都收敛，z平面上使上述级数收敛的区域称为“收敛域”。我们知道，级数一致收敛的条件是绝对值可和，因此z平面的收敛域应满足 因为对于实数序列， 因此，|z| 值在一定范围内才能满足绝对可和条件，这个范围一般表示为,Rx-|z|Rx+ 这就是收敛域，一个以Rx-和Rx+为半径的两个圆所围成的环形区域，Rx-和Rx+称为收敛半径，Rx-和Rx+的大小，即收敛域的位置与具体序列有关，特殊情况为Rx-等于0，Rx+为无穷大，这时圆环变成圆或空心圆。,jImz,Rx+,Rx-,Rez,0,这里主要讨论以下四种序列： a 有限长序列 序列 (序列x(n)只在有限长度n1

14、n2 内有值，其余为零) 其Z变换 X（z）是有限项的级数和，只要级数每一项有界，有限项和也有界，所以有限长序列z变换的收敛域取决于|z|-n，n1nn2。 显然 |z| 在整个开域（0，）都能满足以上条件，因此有限长序列的收敛域是除 0 及,两个点（对应n0不收敛）以外的整个 z 平面：,0|z| 如果对n1，n2加以一定的限制，如n10或n20，则根据条件|z|-n（n1nn2），收敛域可进一步扩大为包括0点或点的半开域：,例1 序列x（n）=（n） 由于n1=n2=0，其收敛域为整个闭域 z 平面，0|Z|， 例2 矩形序列x（n）=RN（n） 等比级数求和,b 右边序列 指 x（n）只

15、在nn1，有值，而nn1时，x（n）=0 收敛域：|z|Rx- ，为收敛半径Rx-以外的z平面，,右边序列中最重要的一种序列是 “因果序列” ，即n1 0的右边序列，因果序列只在n0有值，n0时，x（n）=0，其z变换为： 收敛域： Z 变换的收敛域包括 点是因果序列的特征。,c 左边序列 序列 x（n）只在nn2有值，n n2时，x（n）=0 收敛域： |Z|Rx+ ， 在收敛半径为Rx+的圆内,d 双边序列 可看作一个左边序列和一个右边序列之和，因此双边序列 z 变换的收敛域是这两个序列 z 变换收敛域的公共部分。,如果Rx+Rx-，则存在公共的收敛区间，X（z）有收敛域: Rx-|z|R

16、x- 如Rx+Rx-，无公共收敛区间，X（z）无收敛域，不收敛.,Z变换小结,Z 变换收敛域的特点： 1） 收敛域是一个圆环，有时可向内收缩到原点，有时可向外扩展到，只有x（n）=（n）的收敛域是整个 z 平面。 2） 在收敛域内没有极点，X（z）在收敛域内每一点上都是解析函数。 Z 变换表示法： 级数形式 解析表达式（注意:只表示收敛域上的函数，要同时注明收敛域）,已知函数X(z)及其收敛域，反过来求序列x(n)的变换称为逆z变换，常用Z-1x(z)表示。 若 则逆z变换为： 逆z变换是一个对X（z）zn-1进行的围线积分，积分路径C是一条在X（z）收敛环域（Rx-，Rx+）以内反时针方向绕

17、原点一周的单围线。,四、逆z变换,围线积分路径,证： 设积分路径C在半径为R的圆上，即 z=Rej ， Rx-RRx+，则,这个公式称为柯西积分定理。 因此 或,直接计算围线积分比较麻烦，一般不采用此法求z反变换，求解逆z变换的常用方法有： l 幂级数 l 留数定律法 l 部分分式法,常用序列z变换（可直接使用）,五、z变换的性质 z变换的许多重要性质在数字信号处理中常常要用到,、 六、DTFT与z变换,七、Parseval定理z变换的重要性质之一 若有两序列 x（n），y（n），且 X（z）=Z x（n） Rx-|z| Rx+ Y（z）=Z y（n） Ry-|z| Ry+ 它们的收敛域满足条

18、件： Rx- Ry-1， Rx+Ry+1 则 其中，C 所在收敛域为 X(v) 和 Y*(1/V*) 两者收敛区域的重迭部分 Max Rx- , 1/Ry+ |v| min Rx+ , 1/Ry -,证：令 w（n）=x（n）y*（n） 利用复共轭和复卷积特性(p21表1.3，第7和第10)： 则 由于假设条件中已规定收敛域满足： Rx-Ry-1Rx+Ry+ 因此， |z|=1 在收敛域内，即w（z）在单位圆上收敛，w（z）|z=1存在，,又因 因此 证毕,如果 X（v）、Y（v）在单位圆上收敛，则选取单位圆为围线积分途径，这时 , Parseval 定理的一个重要应用是计算序列能量： 一个序

19、列值的平方总和 称为“序列能量” 即时域中对序列求能量与频域中求能量是一致的。,1.3 离散时间系统与差分方程,T,离散时间系统,x (n) y(n),一个离散时间系统在数学上的定义是将输入序列x(n)映射成输出序列y(n)的唯一性变换或运算。它的输入是一个序列，输出也是一个序列，其本质是将输入序列转变成输出序列的一个运算。,y(n)= Tx(n) 对T加以种种约束,可定义出各类离散时间系统。离散时间系统中最重要、最常用的是“线性、时不变系统”。,T . ,1. 线性系统（满足迭加原理的系统） 若系统的输入为x1（n）和x2（n）时，输出分别为y1（n）和y2（n）， 即 y1（n）=Tx1（

20、n）， y2（n）=Tx2（n） 如果系统输入为ax1（n）+bx2（n）时，输出为ay1（n）+by2（n）， 其中a， b为任意常数，则该系统为线性系统。所以，线性系统的条件为 Tax1（n）+bx2（n）=aTx1（n）+bTx2（n） =ay1（n）+by2（n） 线性系统对信号的处理可应用迭加定理。,例: 设一系统的输入输出关系为 yn=x2n 试判断系统是否为线性？ 解：输入信号x n产生的输出信号Tx n为 Tx n=x2n 输入信号ax n产生的输出信号Tax n为 Tax n= a2x2n 除了a=0,1情况，Tax n aTx n。故系统不满足线性系统的的定义，所以系统是非

21、线性系统。,2. 时不变系统 如果 Tx（n）=y（n）， 则 Tx（n-n0）=y（n-n0） （ n0为任意整数） 即系统的特性不随时间而变化。,线性时不变系统简称为：LTI,3. 线性时不变系统 线性时不变系统既满足迭加原理又具有时不变性的系统。线性时不变系统可以用单位脉冲响应来表示。 我们知道，任一序列都可表示成各延时单位脉冲序列的加权和 如令h（n）为系统对单位脉冲序列的响应， h（n）=T（n） 则系统对任一输入序列x（n）的响应为,由于系统是线性的，满足迭加定理,又由于系统是时不变的，对移位的单位脉冲的响应等于单位脉冲响应的移位。 注：只有线性时不变系统才能由单位脉冲响应来表示,

22、因此 该式表明：对任何线性时不变系统，可完全通过其单位脉冲响应h（n）来表示。这个公式和模拟系统的卷积是类似的，称为离散卷积，或线性卷积。 卷积过程： 对 h（ m）绕纵轴折叠，得h（-m）； 对 h（-m）移位得 h（n-m）； 将 x(m)和 h(n-m)所有对应项相乘之后相加，得离散卷积结果 y（n）。,令m=n-m，做变量代换，则卷积公式变为 因此，x(m)与h(n-m)的位置可对调。（即输入为x（n）、单位脉冲响应为h（n）的线性时不变系统与输入为h（n）、单位脉冲响应为x（n）的线性时不变系统具有同样的输出） 离散卷积也称为“线性卷积”或“直接卷积”，以区别其他种类的卷积。,4、系

23、统的稳定性与因果性 线性和时不变两个约束条件定义了一类可用卷积和表示的系统。稳定性和因果性也是很重要的限制。 稳定系统：对于每一个有界输入产生一个有界输出的系统为稳定系统。 当且仅当 (充要条件) 时，该线性时不变系统是稳定的。,因果系统： 系统的输出y（n）只取决于当前以及过去的输入，即x（n）， x（n-1），x（n-2）。 非因果系统：如果系统的输出y（n）取决于x（n+1），x（n+2），即系统的输出取决于未来的输入，则是非因果系统，也即不现实的系统，（不可实现） 因果系统的充要条件：h（n）0，n0（可从y（n）=x（n）*h（n）导出）,例： 分析单位脉冲响应为h（n）=anu（n

24、）的线性时不变系统的因果性和稳定性。 既然，n时，h（n）=0，系统是因果的 如果 |a|1, 则 如 |a|1 , 则s ，级数发散。 故系统仅在|a|1时才是稳定的。,稳定的因果系统：既满足稳定性又满足因果性的系统。这种系统的单位脉冲响应既是单边的，又是绝对可积的，即 这种稳定因果系统既是可实现的又是稳定工作的，这种系统是最主要的系统。,5 差分方程描述系统输入输出之间的运算关系 一个线性的连续时间系统总可以用线性微分方程来表达。而对于离散时间系统，由于其变量n是离散整型变量，故只能用差分方程来反映其输入输出序列之间的运算关系。 其N阶线性常系数差分方程的一般形式： 其中 ai、bi都是常

25、数。 离散系统差分方程表示法有两个主要用途： 由差分方程得到系统结构； 求解系统的瞬态响应；,例：用途一，由一阶差分方程画网络结构 y（n）=ay（n-1）+x（n） 由此得到它的网络结构如图,用途二 在给定输入和给定初始条件下，用递推的方法求系统瞬态解 例，一阶差分方程系统： 其输入为 解：初始条件为 y（n）=0，n0 n=0以的前的输出已由初始条件给定，瞬态解从n=0求起，由差分方程、初始条件和输入，得： 依次递推 ， 稳定、因果系统,输入相同，但初始条件改为 n0，y（n）=0 将上述差分方程 改写成 y（n-1）=2 y（n）-1.5x（n） 此时 y（0）=2 y（1）-1.5x(

26、1) =0 依此类推，得到 非因果、不稳定系统 、两式所表示的两个不同的单位脉冲响应，虽满足同一差分方程，但由于初始条件不同，它们代表不同的系统，也即用差分方程描述系统时，只有附加必要的制约条件，才能唯一地确定一个系统的输入和输出关系。,1.4 系统的频率响应与系统函数,一、 定义 在上一节中曾讨论过用单位脉冲响应h(n)来表示一个线性时不变离散系统， y（n）=x（n）*h（n） 两边取z变换 Y(z)=X(z)H(z),则 定义为系统函数 1）它 是单位脉冲响应的z变换。所以可以用单位脉冲响应的z变换来描述线性时不变离散系统。 2）单 位圆上的系统函数就是系统的频率响应 可以证明，它是单位

27、脉冲响应h(n)的DTFT。,因果系统： 单位脉冲响应 h（n）是因果序列的系统，其系统函数H(z)的收敛域包括点，即 Rx- |Z|,稳定系统： 单位脉冲响应h（n）满足绝对可和的系统即,稳定系统的H（z）必在单位圆上收敛，即 存在。,二、 几种常用系统,因果稳定系统：,最普遍最重要的一种系统，其系统函数 H（z）在从单位圆到的整个区域收敛。 即 1Z| H（z）的全部极点必在单位圆以内。,三、 差分方程与系统函数 线性时不变离散系统也可用差分方程表示，考虑N阶差分方程 两两边取z变换：,于是 上式也可用因子的形式来表示 式中ci、 di是H（z）在z平面上的零点和极点， A为比例常数。 整

28、个系统函数可以由它的全部零、极点来唯一确定。,用极点和零点表示系统函数的优点是，它提供了一种有效的求系统频率响应的几何方法。 一个 N 阶的系统函数可用它的零极点表示为,系统的频响为:,在z平面上,ej-ci可用一根由零点ci指向单位圆上ej点的向量 来表示，而ej-di可用极点di指向ej的向量 表示 于是 令 分析上式表明，频响的模函数由从各零、极点指向ej点的向量幅度来确定，而频响的相位函数则由这些向量的幅角来确定，当频率由02时，这些向量的终点沿单位圆反时针方向旋转一圈，由此可估算出整个系统的频响。,其基本原理是，当单位圆上的 ej 点在极点 d i附近时，分母向量最短，出现极小值，频

29、响在这附近可能出现峰值，且极点 di 越靠近单位圆，极小值越小，频响出现的峰值越尖锐，当 di 处在单位圆上时，极小值为零，相应的频响将出现，这相当于在该频率处出现无耗（Q=）谐振，当极点超出单位圆时系统就处于不稳定状态。对于现实系统，这是不希望的。 对于零点位置，频响将正好相反，ej点越接近某零点 ci ，频响越低，因此在零点附近，频响出现谷点，零点越接近单位圆，谷点越接近零，零点处于单位圆上时，谷点为零，即在零点所在频率上出现传输零点，零点可以位于单位圆以外，不受稳定性约束。 这种几何方法为我们认识零、极点分布对系统性能的影响提供了一个直观的概念，这一概念对系统的分析和设计都十分重要。,例

30、4：,Imz,0,零点在单位圆上0, 处；极点在 , 处 。,。,。,例 有限长单位脉冲响应 0a1 求其频率响应特性。 解： 如果a为正实数，H（z）的零点为 这些零点分布在|z|=a的圆周上，对圆周进行M等分，它的第一个零点k=0，恰好与分母上的极点（z-a）抵消，因此，整个函数H（z）共有 下 图给出M=8，0a1时的系统特性，幅频的峰值出现在=0，因为该处无零点（被极点对消），每一零点附近的频率响应均有陷落，呈现出M次起伏，当M无限增大时，波纹趋于平滑，系统函数趋于书上一阶系统的结果。,上例中的单位脉冲响应是一个有限长序列，这种系统称为“有限长单位脉冲响应系统”，简写为FIR系统。相应

31、地，当单位脉冲响应长度无限时，则称为“无限长单位脉冲响应系统”， 简写为IIR系统。 系统函数的一般成可改写为（b0=1） 我们知道有限度序列的z变换在整个有限z平面（|z|0）上收敛，因此对于FIR系统，H（z）在有限z平面上不能有极点。如分子、分母无公共可约因子，则H（z）分母中全部系数bi（i=1，2，N）必须为零，故 只要bi中有一个系数不为零，在有限z平面上就会有极点，这就属于IIR系统。 bi不为零就说明需要将延时的输出序列y(n-i)反馈回来，所以，IIR系统的结构中都带有反馈回路。这种带有反馈回路的结构称为“递归型”结构，IIR系统只能采用“递归型”结构，而FIR系统一般采用非“递归型”结构。但是，采用极、零点抵消的方法，FIR系统也可采用“递归型”结构。 IIR、FIR构成数字滤波器的两大类。,小 结：,理想采样信号及其频谱特点、采样定理 Z变换定义、 Z变换收敛域、 Z变换性质 逆Z变换、常用序列Z变换 因果稳定系统 线性时不变系统输入、输出的关系 系统函数、系统频响及其几何确定方法,