教科書數字信號處理教程程佩青清華大學出版社教科書數字信號處理教程1參考書1.數字信號處理張元、汪元寶、方穗明編北京工業大學出版社2.數字信號處理王世一北京理工大學出版社3.數字信號處理---理論、算法與實現胡廣書清華大學出版社參考書1.數字信號處理2參考書4.離散時間信號處理[美]A.V奧本海姆R.W.謝弗編科學出版社2.SignalProcessing信號處理導論SophoclesJ.Orfanids(奧法尼索斯S.J)清華大學出版社3.基于Matlab的系統分析與設計--信號處理樓順天李博菡編著西安電子科大出版社參考書4.離散時間信號處理3講授內容1.緒論--DSP的發展和應用2.離散時間信號分析DFT3.快速付里葉變換FFT4.數字濾波器(DF)的結構和實現方法5.IIRDF的設計(無限長單位脈沖響應數字濾波器的設計)6.FIRDF的設計(有限長單位脈沖濾波器的設計)7.自適應數字濾波器8.數字信號處理中有限字長效應[A/D、DF(主要介紹)、FFT、D/A]講授內容1.緒論--DSP的發展和應用4第一章緒論為何要上數字信號處理?在過去的數十年中，數字信號處理(DSP)的領域，無論在理論上還是技術上都有非常重要的發展。由于工業上開發和利用廉價的硬件和軟件，使不同領域的新工藝和新應用現在都想利用DSP算法、使它成為本科教學內容。第一章緒論為何要上數字信號處理?5第一節

什么是數字信號處理第一節

什么是數字信號處理6一、數字信號處理(DSP)

(DigitalSignalProcessing)凡是利用數字計算機或專用數字硬件、對數字信號所進行的一切變換或按預定規則所進行的一切加工處理運算。例如：濾波、檢測、參數提取、頻譜分析等。對于DSP:狹義理解可為DigitalSignalProcessor數字信號處理器。廣義理解可為DigitalSignalProcessing譯為數字信號處理技術。在此我們討論的DSP的概念是指廣義的理解。一、數字信號處理(DSP)

(DigitalSignal71.信號(復習)信號是一種物理體現。在信號處理領域中，信號被定義為一個隨機變化的物理量。例如：為了便于處理，通常都使用傳感器把這些真實世界的物理信號------>電信號，經處理的電信號--->傳感器--->真實世界的物理信號。如現實生活中最常見的傳感器是話筒、揚聲器話筒(將聲壓變化)--->電壓信號-->空氣壓力信號(揚聲器)1.信號(復習)信號是一種物理體現。在信號處理領域中，信號被82.信號的最基本的參數頻率和幅度3-30kHz:VerylowfrequencyVLF(潛水艇導航)30-300kHz:LowfrequencyLF(潛水艇通信)300~3000kHz:Mediumfrequency(調幅廣播)3-30MHz:Highfrequency(HF)(無線電愛好者，國際廣播，軍事通信無繩電話，電報，傳真)30-300MHz:VeryHighfrequency(VHF)(調頻FM，VHF電視)0.3~3GHz:Ultrahighfrequency(UHF)(UHF電視，蜂窩電話，雷達，微波，個人通信)頻率低20Hz范圍，稱為次聲波，它不能被聽到，當強度足夠大，能被感覺到。(處于VLFVerylowfrequency)頻率20Hz~20KHz稱為聲波，Lowfrequency(處于LF)頻率>20KHz稱為超聲波，具有方向性，可以成束(處于LF)2.信號的最基本的參數頻率和幅度93.信號分類連續信號和離散信號模擬信號和數字信號確定性信號和隨機信號3.信號分類連續信號和離散信號10(1)連續信號和離散信號連續信號：指隨時間信號而連續變化的信號。離散信號：只有在離散的時間點有確定的值。它通常都是通過對連續信號采樣而得到的。(1)連續信號和離散信號連續信號：指隨時間信號而連續變化的信11(2)模擬信號和數字信號模擬信號：指幅度連續的信號，通常指時間和幅度上都是連續的信號。數字信號：時間和幅度上都是離散的信號。x(t)tx(tn)tnx(n)n采樣模數保持轉換(2)模擬信號和數字信號模擬信號：指幅度連續的信號，通常指12(3)確定性信號和隨機信號確定性信號：它的每一個值可以用有限個參量來唯一地加以描述。例：直流信號：僅用一個參量可以描述。階躍信號：可用幅度和時間兩個參量描述。正弦波信號：可用幅度、頻率和相位三個參量來描述。隨機信號：不能用有限的參量加以描述。也無法對它的未來值確定地參預測。它只能通過統計學的方法來描述(概率密度函數來描述)。例：許多自然現象所發生的信號、語音信號、圖象信號、噪聲都是隨機信號。它們具有幅度(能量)隨機性、或具有發生時間上的隨機性或二都兼有之。(3)確定性信號和隨機信號確定性信號：它的每一個值可以用有限134.信號處理濾波變換壓縮估計識別4.信號處理濾波14二、數字信號處理的學科概貌

1.數字信號處理開端在國際上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里葉變換(FFT)的問世，作為數字信號處理這一學科的開端。而它的歷史可以追溯到17世紀--18世紀，也即牛頓和高斯的時代。二、數字信號處理的學科概貌

1.數字信號處理開端在國際上一152.數字信號處理領域的理論基礎數字信號處理的基本工具：微積分，概率統計，隨機過程，高等代數，數值分析，近代代數，復雜函數。數字信號處理的理論基礎：離散線性變換(LSI)系統理論，離散付里葉變換(DFT)。

2.數字信號處理領域的理論基礎數字信號處理的基本工具：微積分163.“數字信號處理”又成為一些學科的理論基礎在學科發展上，數字信號處理又和最優控制，通信理論，故障診斷等緊緊相連，成為人工智能，模式識別，神經網絡，數字通信等新興學科的理論基礎。3.“數字信號處理”又成為一些學科的理論基礎在學科發展上，數174.數字信號處理基本學科分支數字信號濾波分為經典濾波和現代濾波。經典濾波為本科階段學。主要為FIR和IIR濾波器數字信號頻譜分析FFT進行譜分析統計頻譜分析4.數字信號處理基本學科分支數字信號濾波18三、數字信號處理系統的基本組成以下所討論的是模擬信號的數字信號處理系統.前置預濾波器A/D變換器數字信號處理器D/A變換器模擬濾波器模擬Xa(t)PrFADCDSPDACPoF模擬Ya(t)三、數字信號處理系統的基本組成以下所討論的是模擬信號的數字信19(1)前置濾波器將輸入信號xa(t)中高于某一頻率(稱折疊頻率，等于抽樣頻率的一半)的分量加以濾除。(1)前置濾波器將輸入信號xa(t)中高于某一頻率(稱折疊頻20(2)A/D變換器由模擬信號產生一個二進制流。在A/D變換器中每隔T秒(抽樣周期)取出一次xa(t)的幅度，抽樣后的信號稱為離散信號。(2)A/D變換器由模擬信號產生一個二進制流。21(3)數字信號處理器(DSP)按照預定要求，在處理器中將信號序列x(n)進行加工處理得到輸出信號y(n).(3)數字信號處理器(DSP)按照預定要求，在處理器中將信號22(4)D/A變換器由一個進制流產生一個階梯波形，是形成模擬信號的第一步。(4)D/A變換器由一個進制流產生一個階梯波形，是形成模擬信23(5)后置濾波器把階梯波形平滑成預期的模擬信號。以濾除掉不需要的高頻分量，生成所需的模擬信號ya(t).(5)后置濾波器把階梯波形平滑成預期的模擬信號。24第二節

數字信號處理的實現第二節

數字信號處理的實現25數字信號處理實現方法1.采用大、中小型計算機和微機。2.用單片機。3.利用通用DSP芯片4.利用特殊用途的DSP芯片數字信號處理實現方法1.采用大、中小型計算機和微機。261.采用大、中小型計算機和微機工作站和微機上各廠家的數字信號軟件，如有各種圖象壓縮和解壓軟件。用這一方法優點：可適用于各種數字信號處理的應用場合，很靈活。1.采用大、中小型計算機和微機工作站和微機上各廠家的數字信號272.用單片機由于單片機發展已經很久，價格便宜，且功能很強。優點：可根據不同環境配不同單片機，其能達實時控制，但數據運算量不能太大。2.用單片機由于單片機發展已經很久，價格便宜，且功能很強。283.利用通用DSP芯片DSP芯片較之單片機有著更為突出優點。如內部帶有乘法器，累加器，采用流水線工作方式及并行結構，多總線速度快。配有適于信號處理的指令(如FFT指令)等。目前市場上的DSP芯片有：美國德州儀器公司(TI):TMS320CX系列占有90%還有AT&T公司dsp16,dsp32系列Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列3.利用通用DSP芯片DSP芯片較之單片機有著更為突出優點。294.利用特殊用途的DSP芯片市場上推出專門用于FFT,FIR濾波器，卷積、相關等專用數字芯片。如：BB公司：DF17XX系列MAXIM公司：MAXIM27X,MAXIM28XNational公司：National-SEMI系列：MF系列。其軟件算法已在芯片內部用硬件電路實現，使用者只需給出輸入數據，可在輸出端直接得到數據。4.利用特殊用途的DSP芯片市場上推出專門用于FFT,FIR30第三節

數據信號處理的特點與模擬系統(ASP)相比，數字系統具有如下特點：精度高可靠性靈活性大易于大規模集成時分復用可獲得高性能指標二維與多維處理第三節

數據信號處理的特點與模擬系統(ASP)相比，數字系統311.精度高在模擬系統中，它的精度是由元件決定，模擬元器件的精度很難達到10-3以上。而數字系統中，17位字長就可達10-5精度，所以在高精度系統中，有時只能采用數字系統。1.精度高在模擬系統中，它的精度是由元件決定，模擬元器件的精322.可靠性強數字系統：只有兩個信號電平0，1受噪聲及環境條件等影響小。模擬系統：各參數都有一定的溫度系數，易受環境條件，如溫度、振動、電磁感應等影響，產生雜散效應甚至振蕩等且數字系統采用大規模集成電路，其故障率遠遠小于采用眾多分立元件構成的模擬系統。2.可靠性強數字系統：只有兩個信號電平0，1受噪聲及環境條件333.靈活性大數字系統的性能主要決定于乘法器的各系數，且系數存放于系數存儲器內，只需改變存儲的系數，就可得到不同的系統，比改變模擬系統方便得多。3.靈活性大數字系統的性能主要決定于乘法器的各系數，且系數存344.易于大規模集成數字部件：高度規范性，便于大規模集成，大規模生產，對電路參數要求不嚴，故產品成品率高。例：(尤其)在低頻信號：如地震波分析，需要過濾幾Hz~幾十Hz的信號，用模擬系統處理其電感器、電容器的數值，體積，重量非常大，且性能亦不能達到要求，而數字信號處理系統在這個頻率處卻非常優越(顯示出體積，重量和性能的優點。4.易于大規模集成數字部件：高度規范性，便于大規模集成，大規355.時分復用利用DSP同時處理幾個通道的信號。某一路信號的相鄰兩抽樣值之間存在很大的空隙時間，因而在同步器的控制下，在此時間空隙中送入其他路的信號，而各路信號則利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信號后，再算另一路信號，因而處理器運算速度越高，能處理的信道數目也就越多。多路器DSP分路器同步123n123n5.時分復用利用DSP同時處理幾個通道的信號。多路器DSP分366.可獲得高性能指標例：對信號進行頻譜分析模擬頻譜儀在頻率低端只能分析到10Hz以上頻率，且難于做到高分辨率(也即足夠窄的帶寬)。但在數字的譜分析中，已能做到10-3Hz的譜分析。又例：有限長沖激響應數字濾波器，則可實現準確的線性相位特性，這在模擬系統中是很難達到的。6.可獲得高性能指標例：對信號進行頻譜分析377.二維與多維處理利用龐大的存儲單元，可以存儲一幀或數幀圖象信號，實現二維甚至多維信號包括二維或多維濾波，二維及多維譜分析等。7.二維與多維處理利用龐大的存儲單元，可以存儲一幀或數幀圖象388.局限性

數字系統的速度還不算高，因而不能處理很高頻率的信號。(因為抽樣頻率要滿足奈奎斯特準則定理)另外，數字系統的設計和結構復雜，價格較高，對一些要求不高的應用來說，還不宜使用。8.局限性

數字系統的速度還不算高，因而不能處理很高頻率的信39第四節

數字信號處理的應用領域自20世紀60年代以來，數字信號處理的應用已成為一種明顯的趨勢，這與它突出優點分不開的。數字信號處理大致可分為：信號分析信號濾波第四節

數字信號處理的應用領域自20世紀60年代以來，數字信40一、信號分析任務：涉及信號特性的測量。它通常是一個頻域的運算。主要應用于：譜(頻率和/或相位)分析語音分析說話人識別目標檢測一、信號分析任務：涉及信號特性的測量。它通常是一個頻域的運算41二、信號濾波任務：是信號入--->信號出的情況。實現這個任務的系統被稱為濾波器。它通常(但不總是)作時域運算。主要應用于：濾除不需要的背景噪聲，去除干擾頻帶分割，信號譜的成形所以它廣泛地應用于數字通信，雷達，遙感，聲納，語音合成，圖象處理，測量與控制，高清晰度電視，多媒體物理學，生物醫學，機器人等。二、信號濾波任務：是信號入--->信號出的情況。實現這個任務42三、DSP的典型應用1.網絡2.無線通信3.家電4.另外還有虛擬現實，噪聲對消技術，電機控制，圖像處理等等可以說DSP是現代信息產業的重要基石，它在網絡時代的地位與CPU在PC時代的地位是一樣的。三、DSP的典型應用1.網絡43四、舉例

1.語音處理它是最早采用數字信號處理技術的領域之一。本世紀50年代提出語音形成數字模型，經過十多年對語音的分析、綜合、證明是正確的。在語音領域現存在著三種系統：語音分析系統：(自動語音識別系統，它能識別語音，辨認說話的人是誰，而且破譯后，能立即作出決斷。語音綜合系統：盲人的自動閱讀機，聲音響應的計算機終端，會說話玩具，家用電器(CD,VCD,DVD)。語音分析綜合系統：語音存儲和檢索系統。即廣泛應用于電話竊聽。即應用于語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人確認、語音郵件、語音存儲等。四、舉例

1.語音處理它是最早采用數字信號處理技術的領域之一442.圖像處理數字信號處理技術成功應用的圖像處理方法有：數據壓縮圖像復原清晰化與增強由于單個數字圖像以1兆個采樣值的量級表示，所以要求高性能的處理機、高密度的數據存儲器。即要求高速度硬件。2.圖像處理數字信號處理技術成功應用的圖像處理方法有：453.雷達在軍事上，雷達、計算機、射擊武器等組成一個自動控制系統。當目標進入雷達的作用半徑以內并被雷達自動跟蹤時，雷達就測量出目標的當前位置(距離、方位角和高低角)，并把數據送入計算機，推算出目標的航向，航速，引導導彈或自動火炮去擊中目標(愛國者導彈對飛毛腿導彈)。雷達系統是應用高性能數字信號處理技術的一個例子。雷達系統主要信號處理功能包括：信號產生、匹配濾波、門限比較、目標參數(如射程、方位和速度)估計。3.雷達在軍事上，雷達、計算機、射擊武器等組成一個自動控制系464.通信整個通信領域幾乎沒有不受數字信號處理技術影響的地方。數字技術已用于信號的調制、解調、濾波、混頻、檢波和多路傳輸等問題中。語音數據壓縮與解壓是數字信號處理的重要內容。在電信領域，數字處理技術已發展到音調檢測，回波清除、數字開關網和自適應均衡、數據加密、數據壓縮、可視電話等。許多音頻通信的信號處理功能，已由單塊集成電路實現。4.通信整個通信領域幾乎沒有不受數字信號處理技術影響的地方。475.電話、電報下面介紹它們在通訊中的應用大家知道，脈沖編碼調制通訊（簡稱PCM）的主要有的是抗干擾性強。但是，要對語音信號進行脈沖編碼傳輸，起碼要有64千比特/秒。為了提高信道的利用率，必須壓縮語音數碼率。語音壓縮編碼的方法很多，如自適應差分脈調制（ADPCM），32千比特/秒的數碼率達到了長途電話的質量標準，且復雜程度較低，1988年被CCITT（國際電報電話咨詢委員會）建議為長途傳輸中的一種新型國際通用語音編碼方法。5.電話、電報下面介紹它們在通訊中的應用大家知道，脈沖編碼調486.擴頻通信與數據壓縮相反的數據擴張，也是很有用的技術。它的根據是仙農編碼定理：在一定的條件下，只要碼的長度充分大時，一定存在一種編碼、譯碼方法，使錯誤譯碼率充分小。近年來，在國防上實現發射功率隱蔽與抗電子干擾，采用了數據擴張技術，用300千比特/秒的數碼率傳送64千比特/秒的語音，可以使敵方對此信號難以偵察或干擾。6.擴頻通信與數據壓縮相反的數據擴張，也是很有用的技術。它的497.移動通信現代通信系統是信息時代的生命線。最近幾年，電信業在我國發展很快，安裝電話的用戶與日俱增，移動通信已開始全國聯網。現在，世界性的全球通訊網連接著6億個以上的電話，還提供大量的用戶電報以及數據通信業務。到本世紀末，通訊將超過能源、汽車、鋼鐵、交通和農業，成為世界上最大的行業。7.移動通信現代通信系統是信息時代的生命線。最近幾年，電信業508.其他生物醫學信號處理CT/CATCT：計算機X射線斷層攝影裝置。其中頭顱CT英國EMI公司豪斯菲爾德獲諾貝爾獎。CAT:計算機X射線空間重建裝置。出現全身掃描，心臟活動立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干圖像重建。嵌入式電子系統8.其他生物醫學信號處理CT/CAT51五、DSP技術的發展趨勢1DSP技術的發展趨勢，可用四個字“多快好省”來概括。1.多。可從廣度和深度看，廣度是指DSP的型號越來越多。如TMS320C2x（控制）/5x（低功耗）/6x（高性能處理）.從深度講是多CPU的糅合，一種多DSP的糅合，一種DSP的核和其他事務性處理的核的糅合在一起如RM核。2.快，即運算的速度越來越快，指令速度越來越快，頻率越來越高，功能越來越強。五、DSP技術的發展趨勢1DSP技術的發展趨勢，可用四個字“52五、DSP技術的發展趨勢23.好。主要是指性能價格比。性價比符合摩爾定律：每隔18個月，芯片的速度提高一倍，價格是原來的一半。這是由于半導體工藝的發展，使得成本降低引起的。4.省。功耗越來越低。正是由于DSP多快好省的發展，DSP的應用范圍越來越寬。五、DSP技