1、數字信號處理 課時：40/16通信教研室：信息樓通信教研室：信息樓302302我的教育教學格言獨立之精神，自由之思想。獨立之精神，自由之思想。學源于思，思源于疑。小疑則小進，大疑則學源于思，思源于疑。小疑則小進，大疑則大進大進緣緣 于千萬人之中遇見你所要遇見的于千萬人之中遇見你所要遇見的人，于千萬年之中，時間的無涯的荒人，于千萬年之中，時間的無涯的荒野里，沒有早一步，也沒有晚一步，野里，沒有早一步，也沒有晚一步，剛巧趕上了，那也沒有別的話可說，剛巧趕上了，那也沒有別的話可說，惟有輕輕地問一聲：惟有輕輕地問一聲：“噢，你也在這噢，你也在這里嗎？里嗎？”春眠不覺曉，上課別遲到；春眠不覺曉，上課別遲

2、到；夜來風雨聲，作業按時交。夜來風雨聲，作業按時交。預習加筆記，實驗亦重要；預習加筆記，實驗亦重要；勤巧做舟楫，學海任逍遙。勤巧做舟楫，學海任逍遙。數字信號處理數字信號處理1 為什么要學習這門課程？為什么要學習這門課程？2 這門課程的主要內容和重點是什么？這門課程的主要內容和重點是什么？3 這門課程的特點？這門課程的特點？4 你需要哪些準備工作？你需要哪些準備工作？5 學習方法？學習方法？1為什么要學習這門課程？ 幾乎所有工程技術領域都要涉及信號幾乎所有工程技術領域都要涉及信號問題，這些信號包括電的、磁的、機問題，這些信號包括電的、磁的、機械的、熱的、聲的、光的及生物醫學械的、熱的、聲的、光的

3、及生物醫學的等各個方面。的等各個方面。 如何在較強的背景噪聲下如何在較強的背景噪聲下提取提取出真正出真正的信號或信號的特征并將它們應用于的信號或信號的特征并將它們應用于工程實際是信號處理理論要完成的任工程實際是信號處理理論要完成的任務。務。2 這門課程的主要內容和重點是什么？上學期我們學習了信號與系統，用通俗的語言簡單解釋上學期我們學習了信號與系統，用通俗的語言簡單解釋一下這門課：一下這門課：一個確定信號不管連續還是離散都是時間一個確定信號不管連續還是離散都是時間t或或n的函數，在時的函數，在時域我們可以獲得關于這個信號的哪些信息呢？域我們可以獲得關于這個信號的哪些信息呢？ 比如：波形、周期比

4、如：波形、周期T、頻率、頻率f或或、能量、能量E E、功率、功率P P等。等。那么這些信息足夠充分了解一個信號的所有特征嗎？那么這些信息足夠充分了解一個信號的所有特征嗎？答案是不充分，那么我們該如何挖掘該信號的其他未顯露出答案是不充分，那么我們該如何挖掘該信號的其他未顯露出來的特征呢？來的特征呢？利用某種利用某種數學變換數學變換，把時間信號變成，把時間信號變成變換域變換域信號信號那么我們學習了哪些變換呢？那么我們學習了哪些變換呢？傅氏級數傅氏級數傅氏變換傅氏變換拉氏變換拉氏變換ZZ變換變換現在我們把這些變換總結成表格，看一下規律現在我們把這些變換總結成表格，看一下規律 01101111tTjn

5、tntjntnFf t edtTf tF ne j tF wf t edt 12j tf tFedsj 12ststF sf t edtf tF s e dssTze 112nnCX zx n zx nX z zdzj定義定義關系關系舉例舉例 時域時域變換變換域域連連續續周周期期傅氏傅氏級數級數頻譜頻譜把周把周期變期變成無成無窮，窮，就從就從級數級數變成變成頻譜頻譜密度密度非非周周期期傅氏傅氏變換變換頻譜頻譜密度密度從衰減信從衰減信號擴展到號擴展到遞增信號遞增信號 拉氏拉氏變換變換離離散散Z變變換換2 這門課程的主要內容和重點是什么？l從表格中我們容易看出從表格中我們容易看出2個規律：個規律：

6、1 時域的時域的周期延拓周期延拓導致頻域的導致頻域的離散離散時域 頻域周期連續周期連續 非周期離散非周期離散非周期連續非周期連續 非周期連續非周期連續周期離散周期離散 ？非周期離散非周期離散 ？ 如果對連續時間信號采樣，也就是離散化之后，他的頻譜是什么樣的？研究離散信號的頻譜特點研究離散信號的頻譜特點是是數字信號處理數字信號處理這這門課要學的內容之一。門課要學的內容之一。2 這門課程的主要內容和重點是什么？2 只有傅氏級數和傅氏變換才有頻譜的含義只有傅氏級數和傅氏變換才有頻譜的含義l拉氏變換與拉氏變換與Z變換的自變量變換的自變量s和和z都不具有明都不具有明顯的頻譜含義，只是研究信號和系統的一顯

7、的頻譜含義，只是研究信號和系統的一種手段。種手段。l那么那么離散時間信號有沒有傅氏級數和傅氏離散時間信號有沒有傅氏級數和傅氏變換變換呢？呢？l如果有的話如果有的話應該是什么樣子、有什么特點應該是什么樣子、有什么特點？這是學習內容之二這是學習內容之二2 這門課程的主要內容和重點是什么？l在了解了離散信號的時域和頻域特性后，在了解了離散信號的時域和頻域特性后，就要分析研究一下離散系統的特性了，根就要分析研究一下離散系統的特性了，根據這些特性要設計不同功能的濾波器。據這些特性要設計不同功能的濾波器。l3學習內容之三學習內容之三 分析研究離散系統的特性分析研究離散系統的特性 設計濾波器設計濾波器系統綜

8、合系統綜合信號分析信號分析系統分析系統分析2 這門課程的主要內容和重點是什么？l1掌握數字信號處理的基本概念、基本理論掌握數字信號處理的基本概念、基本理論和基本算法和基本算法 （信號分析和系統分析信號分析和系統分析）l2 掌握設計數字濾波器的基本方法（軟件、掌握設計數字濾波器的基本方法（軟件、硬件）（硬件）（系統綜合系統綜合）3 這門課程的特點？l1 繼承了繼承了信號與系統信號與系統的特點，文字和圖的特點，文字和圖形的結合比較密切形的結合比較密切l2 主要應用結論，理解推導過程主要應用結論，理解推導過程l3 需要大量的練習需要大量的練習 理論僅停留在腦中是不夠的，需要你動理論僅停留在腦中是不夠

9、的，需要你動手實踐，包括做題和編程手實踐，包括做題和編程4 你需要哪些準備工作？l1 高等數學和復變函數的基礎高等數學和復變函數的基礎l2 信號與系統的基礎信號與系統的基礎l3 MATLAB和編程語言（和編程語言（C語言）的基礎語言）的基礎 參考書目1 數字信號處理數字信號處理 丁美玉、高西全丁美玉、高西全 西安電子科技大學出版社西安電子科技大學出版社 2數字信號處理理論、算法與實現數字信號處理理論、算法與實現 胡廣書胡廣書 清華大學出版社清華大學出版社3數字信號處理基礎數字信號處理基礎 侯正信等譯電子工業出版社侯正信等譯電子工業出版社 5 學習方法建議l注重理解基本概念及其物理意義注重理解基

10、本概念及其物理意義l理解處理方法的思想及本質，而非公式表理解處理方法的思想及本質，而非公式表象象l計算與解題計算與解題l一定要提問題一定要提問題l“實踐出真知實踐出真知”Tell me, I will forgetShow me, I may rememberInvolve me, I will understand!l嘗試用所學知識解決實際問題嘗試用所學知識解決實際問題考核辦法l1 考勤考勤按學校要求按學校要求l2 平日成績平日成績作業作業+課堂練習課堂練習+實驗成績實驗成績總評總評=卷面卷面*70%+平日平日*20%+考勤考勤*10%緒 論一、基本概念一、基本概念 1、信號、信號 2、系統

11、、系統 3、信號處理、信號處理1、信號l信號：信息的物理表現形式信號：信息的物理表現形式 傳遞信息的函數傳遞信息的函數l一維時間信號一維時間信號l信號的分類：信號的分類：- 周期信號周期信號 / 非周期信號非周期信號- 確定信號確定信號 / 隨機信號隨機信號- 能量信號能量信號 / 功率信號功率信號- 連續時間信號連續時間信號 / 離散時間信號離散時間信號 / 數字信號數字信號按自變量與函數值的取值形式不同分類： 幅度幅度 時間時間連續連續離散離散連續連續模擬信模擬信號號連續時連續時間信號間信號離散離散離散時離散時間信號間信號數字信數字信號號信號舉例信號舉例l一維信號舉例一維信號舉例l二維信號

12、舉例二維信號舉例l三維信號舉例三維信號舉例 = + +信號舉例l三維信號舉例：三維信號舉例： 黑白視頻黑白視頻l彩色視頻（電影）彩色視頻（電影） 7維？維？信號舉例l確定性信號（確定性信號（Deterministic signal）例如正弦信號例如正弦信號l隨機信號（隨機信號（Random signal）Each sample value is generated in a random fashion and cannot be predicted ahead of timecomprise another class of例如：語音、天氣、金融信號、混沌信號例如：語音、天氣、金融信號、混沌

13、信號l本書主要處理研究對象本書主要處理研究對象離散時間確定性信號lMore Story: 隨機信號處理隨機信號處理“統計信號處理”，“現代信號處理”專題信號處理l語音、音樂信號處理（編碼、識別、合成）l圖像信號處理（圖像處理）l視頻信號處理（計算機視覺）l醫學信號處理典型信號舉例l語音信號語音信號單詞單詞Away256Hz 音叉信號音叉信號心電圖信號：心臟的電活動用心電圖（心電圖信號：心臟的電活動用心電圖（ECG）腦電圖信號（腦電圖信號（EEG）圖像信號2、系統l系統是將信號進行處理（或變換）以達到人們系統是將信號進行處理（或變換）以達到人們要求的各種設備。系統可以是硬件的，也可以要求的各種設

14、備。系統可以是硬件的，也可以是軟件編程實現的。是軟件編程實現的。l系統的分類（按所處理的信號種類不同分類）系統的分類（按所處理的信號種類不同分類）- 連續時間信號系統（模擬信號系統） - 離散時間信號系統- 數字信號系統3、信號處理l信號處理是研究用系統對含有信息的信號進行信號處理是研究用系統對含有信息的信號進行處理（變換）以獲得人們所希望的信號，從而處理（變換）以獲得人們所希望的信號，從而達到提取信息，便于利用的一門學科。達到提取信息，便于利用的一門學科。l信號處理的分類：信號處理的分類：- 模擬信號處理CRxa(t)ya(t)延時x(n)y(n)a- 數字信號處理數字信號處理（實質：數值運

15、算）（實質：數值運算）兩個概念l DSP：Digital Signal Processingl數字信號處理數字信號處理l DSP: Digital Signal Processorl數字信號處理器數字信號處理器DSP的簡要發展歷史lBefore1960sBefore1960s：數字信號處理的：數字信號處理的理論理論發展階段，硬件處于初發展階段，硬件處于初 級階段級階段l19651965年：一般認為年：一般認為 Cooley-TurkeyCooley-Turkey提出提出FFTFFT（快速（快速FourierFourier變變 換），標志作換），標志作DSPDSP作為一個學科的開端作為一個學科的

16、開端l19781978：Intel Intel 推出推出2920 “2920 “模擬信號處理芯片模擬信號處理芯片”，實現，實現AD/DAAD/DA等等 DSPDSP功能功能l19781978：Bell LabsBell Labs推出推出Mac 4 DSPMac 4 DSPl19791979：AMIAMI公司推出公司推出S2881S2881信號處理器信號處理器l19831983：TITI推出首款可編程通用數字信號處理器推出首款可編程通用數字信號處理器TMS32010, TMS32010, 此后發展為此后發展為TMS320TMS320系列，商業應用獲得極大成功系列，商業應用獲得極大成功l19851

17、985之后：眾多公司如之后：眾多公司如MotorolaMotorola、PhillipsPhillips、ADIADI、ARMARM等等 等各自發展了多種不同的等各自發展了多種不同的DSPDSP芯片芯片l1990s1990s：可編程的：可編程的DSPDSP器件已廣泛應用于數據通信、海量存器件已廣泛應用于數據通信、海量存 儲、語音處理、汽車電子、消費類音頻和視頻產品等，其中儲、語音處理、汽車電子、消費類音頻和視頻產品等，其中 最為輝煌的成就之一是在移動電話中的成功應用最為輝煌的成就之一是在移動電話中的成功應用DSP的簡要發展歷史lTI （德州儀器）公司（德州儀器）公司DSP芯片系列芯片系列l第一

18、代第一代DSP 芯片芯片TMS32010及其系列及其系列l第二代第二代DSP芯片芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28l第三代第三代DSP芯片芯片TMS320C30/C31/C32l第四代第四代DSP芯片芯片TMS320C40/C44l第五代第五代DSP 芯片芯片TMS320C5X/C54X，l第六代第六代DSP芯片芯片TMS320C62X/C67X等等l集多片集多片DSP芯片于一體的高性能芯片于一體的高性能DSP芯片芯片TMS320C8X。l應用領域舉例：應用領域舉例： 移動電話、數碼相機、移動電話、數碼相機、VoIP、Cable Modem、馬達控制、智能機、馬達控制、智

19、能機器人、器人、VCD、DVD、MP3、Mp4、航天、航天、DSP(processing) vs. DSP(processor)l數字信號處理是分析處理數字信號的一門科學，數字信號處理是分析處理數字信號的一門科學，DSP將信號離散數字化表示，通過計算處理設備，將信號離散數字化表示，通過計算處理設備，用數值計算方法進行各種處理，達到提取有用信用數值計算方法進行各種處理，達到提取有用信息便于應用的目的。息便于應用的目的。l常用的處理方法有：常用的處理方法有： AD/DA，濾波、檢測、變換、編碼、壓縮、增強、估計、 識別、參數提取、頻譜分析等等l數字信號處理是理論基礎，是一個更加廣義的概數字信號處理

20、是理論基礎，是一個更加廣義的概念念l數字信號處理器（芯片）是針對數字信號處理算數字信號處理器（芯片）是針對數字信號處理算法發展起來的處理器，是信號處理在硬件（或專法發展起來的處理器，是信號處理在硬件（或專用芯片）的實現用芯片）的實現/呈現。呈現。DSP有關的一些指標術語lCMOS工藝：工藝： 3微米、微米、0.8微米、微米、0.1微米微米 未來的納米未來的納米l計算能力（計算能力（MIPS ） 5，40，200，5000，8000 50000? MIPS: Million Instructions Per Secondl計算能力（主頻）計算能力（主頻） 5MHz，到，到100MHz、200MH

21、z 、1.1GHz ?l功耗功耗 250mW，12.5mW，0.1mW，0.01mW 0.001mW ?lQ: 這些指標代表什么物理意義？這些指標代表什么物理意義？DSP發展的趨勢l年代年代 1980 1990 2000 2010l價格（美元）價格（美元） $150.00 $15.00 $5.00 $0.15l工藝（微米）工藝（微米） 3 0.8 0.1 0.02l規模（門）規模（門） 50K 500K 5M 50MlRAM(字節字節) 256 2K 32K 1Ml速度（速度（MIPS） 5 40 5000 50000lDSP功耗的功耗的Gene定律定律 DSP功耗性能比功耗性能比 每隔每隔5

22、年將降低年將降低10倍倍小知識l什么是什么是Moores Law（摩爾定律）（摩爾定律） ：Version 1:l集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18個月就個月就翻一番翻一番Vesion 2:l微處理器的性能每隔微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一個月提高一倍，而價格下降一倍倍Version 3:l每一美元所能買到的電腦性能，將每隔每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩番個月翻兩番lIntel 創始人之一創始人之一Gordon Moore1965年最早提出，年最早提出，后經過多次修正后經過多次修正二、DSP系統的基本組成和實現方法

23、lDSP系統的基本組成系統的基本組成前置預濾波器A/D轉換器數字信號處理器D/A轉換器模擬濾波器xa(t)ya(t)x(n)y(n) lDSP系統的實現方法系統的實現方法- 軟件實現法- 硬件實現法- DSP芯片法三、DSP的特點和應用lDSP的優點的優點 精度高精度高 靈活性高靈活性高 可靠性強可靠性強 容易大規模集成容易大規模集成 時分復用時分復用 可獲得高性能指標可獲得高性能指標 二維與多維處理二維與多維處理lDSP的缺點的缺點 1. 需要模數轉換；需要模數轉換； 2. 受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限； 3. 數字系統由耗電的有源器件構成，功耗大。

24、數字系統由耗電的有源器件構成，功耗大。l數字信號處理系統中集成了幾十萬甚至更多的晶體管，而模擬信號處數字信號處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的是電阻、電容、電感等無源器件，隨著系統的復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矛盾會更加突出。雜性增加這一矛盾會更加突出。三、DSP的特點和應用l數字信號處理是眾多學科的基礎工具數字信號處理是眾多學科的基礎工具 濾波與變換濾波與變換 通信通信 語音、語言語音、語言l語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、語音郵件、語語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、語音郵件、語音儲存等。音儲存

25、等。 圖像圖形圖像圖形l二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識別、動畫、二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識別、動畫、機器人視覺、多媒體、電子地圖、圖像增強等。機器人視覺、多媒體、電子地圖、圖像增強等。 消費電子消費電子l數字音響、數字電視、可視電話、音樂合成、音調控制、玩數字音響、數字電視、可視電話、音樂合成、音調控制、玩具與游戲、具與游戲、DVD、VCD、數碼相機等。、數碼相機等。 儀器儀器l頻譜分析、函數發生、數據采集、地震處理等。頻譜分析、函數發生、數據采集、地震處理等。三、DSP的特點和應用工業控制與自動化工業控制與自動化l控制、深空作業、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等。控制、深空作業、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等。醫療醫療l助聽、超聲設備、診斷工具、病人監護、心電圖等。助聽、超聲設備、診斷工具、病人監護、心電圖等。軍事軍事l保密通信、雷達處理、聲吶處理、導航、全球定位、跳頻電保密通信、雷達處理、聲吶處理、導航、全球定位、跳頻電臺、搜索和反搜索等。臺、搜索和反搜索等。l數字信號處理技術廣泛應用于各個領域數字信號處理技術廣泛應用于各個