1、第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 本章從數字信號處理的研究對象、研究任務、本章從數字信號處理的研究對象、研究任務、 應用領域、實現方法、發展動態等方面簡要介紹數應用領域、實現方法、發展動態等方面簡要介紹數 字信號處理的概貌和系統組成，從而使同學們對該字信號處理的概貌和系統組成，從而使同學們對該 學科的基本框架有一個初步的了解。學科的基本框架有一個初步的了解。 基本概念基本概念 基本組成基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 信息與信號信息與信號 l信息：存在于客觀世界

2、的一種事物現象，一般 泛指消息、情報、指令、數據、信號等有關周 圍環境的知識。 l信息科學：是研究信息的獲取、傳輸、處理和 利用的一門科學。 l信號：是信息的物理表現形式，是信息的載體。 （而信息則是信號所含有的具體內容） 基本概念基本概念 基本組成基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 信號的分類信號的分類 l依載體：電信號、磁信號、聲信號、光信 號、熱信號、機械信號。 l依變量個數：一維、二維、多維（矢量） 信號。 l依周期性：周期信號x(t)=x(t+kT)、 非周 期信號

3、。 l依是否為確定函數：確定信號、隨機信號。 l依能量或功率是否有限：能量信號、功率 信號。 l依時間和幅度是否連續：模擬信號、脈沖 信號、采樣信號、數字信號。 基本概念基本概念 基本組成基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 模擬信號、脈沖信號、采樣信號、數字信號模擬信號、脈沖信號、采樣信號、數字信號 l模擬信號：時間是連接的，幅值也是連續的。模擬信號：時間是連接的，幅值也是連續的。 l脈沖信號：時間是連接的，幅值也是離散的。脈沖信號：時間是連接的，幅值也是離散的。 l采樣信號

4、：時間是離散的，幅值也是連續的。采樣信號：時間是離散的，幅值也是連續的。 l數字信號：時間是離散的，幅值也是離散的。數字信號：時間是離散的，幅值也是離散的。 l模擬信號和脈沖信號統稱為連接時間信號，采模擬信號和脈沖信號統稱為連接時間信號，采 樣信號和數字信號則稱為離散時間時間。樣信號和數字信號則稱為離散時間時間。 數數字字信信號號模模擬擬信信號號 A A/ /D D D D/ /A A 基本概念基本概念 基本組成基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 數字信號處理數字信號處理 l

5、數字信號處理就是用數值計算方法對數字序列 進行各種處理，把信號變換成符合需要的某種 形式。 l理論基礎，其中最主要的是離散時間信號和離 散時間系統理論以及一些數學理論。 基本概念基本概念 基本組成基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 數字信號處理系統的基本組成數字信號處理系統的基本組成 )(txa)(tya)(nx 前置預前置預 濾波器濾波器 A/D 變換器變換器 數字信號數字信號 處理器處理器 D/A 變換器變換器 模擬模擬 濾波器濾波器 )(ny 基本概念基本概念 基本組成

6、基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 實現方法（軟硬兼有）實現方法（軟硬兼有） l在通用的計算機上用軟件（如在通用的計算機上用軟件（如C C程序）實現；程序）實現； 速度較慢，一般可用于速度較慢，一般可用于DSPDSP算法的模擬算法的模擬 l在通用計算機系統中加上專用的加速處理機實現；在通用計算機系統中加上專用的加速處理機實現； 專用性強，不便于系統的獨立運行專用性強，不便于系統的獨立運行 l用通用的單片機（如用通用的單片機（如MCS-51MCS-51、9696系列等）實現。系

7、列等）實現。 可用于一些不太復雜的數字信號處理，如數字控制。只可用于一些不太復雜的數字信號處理，如數字控制。只 適用于實現簡單的適用于實現簡單的DSPDSP算法算法 l用通用的可編程用通用的可編程DSPDSP芯片實現。芯片實現。 與單片機相比，與單片機相比，DSPDSP芯片具有更加適合于數字信號處理芯片具有更加適合于數字信號處理 的軟件和硬件資源，可用于復雜的數字信號處理算法；的軟件和硬件資源，可用于復雜的數字信號處理算法； 應用較多。應用較多。 l用專用的用專用的DSPDSP芯片實現。芯片實現。 在一些特殊的場合，要求的信號處理速度極高，用通用在一些特殊的場合，要求的信號處理速度極高，用通用

8、 DSPDSP芯片很難實現，例如專用于芯片很難實現，例如專用于FFTFFT、數字濾波、卷積、數字濾波、卷積、 相關等算法的相關等算法的DSPDSP芯片，這種芯片將相應的信號處理算芯片，這種芯片將相應的信號處理算 法在芯片內部用硬件實現，無需進行編程。專用性強。法在芯片內部用硬件實現，無需進行編程。專用性強。 基本概念基本概念 基本組成基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 數字信號處理的優點數字信號處理的優點 l精度高：在模擬系統的電路中，元器件精度要精度高：在模擬系統的電路中，

9、元器件精度要 達到達到1010-3 -3以上已經不容易了，而數字系統 以上已經不容易了，而數字系統1717位位 字長可以達到字長可以達到1010-5 -5的精度，這是很平常的。例 的精度，這是很平常的。例 如，基于離散傅里葉變換的數字式頻譜分析儀，如，基于離散傅里葉變換的數字式頻譜分析儀， 其幅值精度和頻率分辨率均遠遠高于模擬頻譜其幅值精度和頻率分辨率均遠遠高于模擬頻譜 分析儀。分析儀。 l靈活性強：數字信號處理采用了專用或通用的靈活性強：數字信號處理采用了專用或通用的 數字系統，其性能取決于運算程序和乘法器的數字系統，其性能取決于運算程序和乘法器的 各系數，這些均存儲在數字系統中，只要改變各

10、系數，這些均存儲在數字系統中，只要改變 運算程序或系數，即可改變系統的特性參數，運算程序或系數，即可改變系統的特性參數， 比改變模擬系統方便得多。比改變模擬系統方便得多。 基本概念基本概念 基本組成基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 數字信號處理的優點數字信號處理的優點 l可以實現模擬系統很難達到的指標或特性：例可以實現模擬系統很難達到的指標或特性：例 如：有限長單位脈沖響應數字濾波器可以實現如：有限長單位脈沖響應數字濾波器可以實現 嚴格的線性相位；在數字信號處理中可以將信嚴

11、格的線性相位；在數字信號處理中可以將信 號存儲起來，用延遲的方法實現非因果系統，號存儲起來，用延遲的方法實現非因果系統， 從而提高了系統的性能指標；數據壓縮方法可從而提高了系統的性能指標；數據壓縮方法可 以大大地減少信息傳輸中的信道容量。以大大地減少信息傳輸中的信道容量。 l可以實現多維信號處理：利用龐大的存儲單元，可以實現多維信號處理：利用龐大的存儲單元， 可以存儲二維的圖像信號或多維的陣列信號，可以存儲二維的圖像信號或多維的陣列信號， 實現二維或多維的濾波及譜分析等。實現二維或多維的濾波及譜分析等。 基本概念基本概念 基本組成基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點

12、 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 數字信號處理的缺點數字信號處理的缺點 l缺點缺點1 1：增加了系統的復雜性，它需要模擬接：增加了系統的復雜性，它需要模擬接 口以及比較復雜的數字系統；口以及比較復雜的數字系統； l缺點缺點2 2：應用的頻范圍受到限制，主要是：應用的頻范圍受到限制，主要是A/DA/D 轉換的采樣頻率的限制；轉換的采樣頻率的限制； l缺點缺點3 3：系統的功率消耗比較大。數字信號處：系統的功率消耗比較大。數字信號處 理系統中集成了幾十萬甚至更多的晶體管，而理系統中集成了幾十萬甚至更多的晶體管，而 模擬信號處理系統中大量使用

13、的是電阻、電容、模擬信號處理系統中大量使用的是電阻、電容、 電感等無源器件，隨著系統的復雜性增加這一電感等無源器件，隨著系統的復雜性增加這一 矛盾會更加突出。矛盾會更加突出。 基本概念基本概念 基本組成基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 應用領域應用領域 l語音處理語音處理 語音信號分析語音信號分析 語音合成語音合成 語音識別語音識別 語音增強語音增強 語音編碼語音編碼 l圖像處理：恢復，增強，去噪，壓縮圖像處理：恢復，增強，去噪，壓縮 l通信：信源編碼，信道編碼通信：信源編

14、碼，信道編碼 ，多路復用，數據壓縮，多路復用，數據壓縮 l電視電視 ：高清晰度電視，可視電話，視頻會議：高清晰度電視，可視電話，視頻會議 l雷達：對目標探測，定位，成像雷達：對目標探測，定位，成像 l聲納聲納 有源聲納信號處理有源聲納信號處理 無源聲納信號處理無源聲納信號處理 l地球物理學地球物理學 l生物醫學信號處理生物醫學信號處理 l音樂音樂 l其它領域其它領域 基本概念基本概念 基本組成基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 數字信號處理學科發展歷史數字信號處理學科發展歷史

15、 l理論基礎（經典數值計算理論基礎（經典數值計算or計算數學）：計算數學）： 17th Century-18th Century 中葉發展起來；中葉發展起來； lDSP獨立學科的形成：獨立學科的形成：20th Century 4050s， 迅速發展：迅速發展：60年代中期；（年代中期；（FFT和數字濾波器和數字濾波器 設計）設計） lFFT對對DSP迅速發展起了極大的推動作用：迅速發展起了極大的推動作用： 1965年，年，J.W.Cooley & J.W.Tukey提出了提出了FFT （Fast Fourier Transform），很快得到了推），很快得到了推 廣應用；廣應用； l數字濾波器

16、（數字濾波器（Digital Filter）設計方法的研究）設計方法的研究 是是DSP迅速發展的另一個標志，迅速發展的另一個標志，40年代年代60年年 代中期，形成了完整的理論基礎（代中期，形成了完整的理論基礎（FIR & IIR） 基本概念基本概念 基本組成基本組成 實現方法實現方法 數字信號處理的特點數字信號處理的特點 應用領域應用領域 學科發展歷史學科發展歷史 第第0章章 數字信號處理概論數字信號處理概論 發展特點發展特點 l由簡單的運算走向復雜的運算由簡單的運算走向復雜的運算，目前幾十位乘幾十位的，目前幾十位乘幾十位的 全并行乘法器可以在數十納秒的時間內完成一次浮點乘全并行乘法器可以在

17、數十納秒的時間內完成一次浮點乘 法運算，這無論在運算速度上和運算精度上均為復雜的法運算，這無論在運算速度上和運算精度上均為復雜的 數字信號處理算法提供了先決條件；數字信號處理算法提供了先決條件； l由低頻走向高頻由低頻走向高頻，模數轉換器的采樣頻率已高達數百兆，模數轉換器的采樣頻率已高達數百兆 赫，可以將視頻甚至更高頻率的信號數字化后送入計算赫，可以將視頻甚至更高頻率的信號數字化后送入計算 機處理；機處理； l由一維走向多維由一維走向多維，像高分辨率彩色電視、雷達、石油勘，像高分辨率彩色電視、雷達、石油勘 探等多維信號處理的應用領域已與數字信號處理結下了探等多維信號處理的應用領域已與數字信號處理結下了 不解之緣。不解之緣。 各種數字信號處理系統均幾經更新換代：各種數字信號處理系統均幾經更新換代：在圖像處理方在圖像處理方 面，圖像數據壓縮是多媒體通信、影碟機面，圖像數據壓縮是多媒體通信、影碟機(VCD(VCD或或DVD)DVD) 和高清晰度電視和高