第00章-绪论--数字信号处理[刘兴钊][电子教案].

1CHAPTER1INTRODUCTION1.什么是数字信号2.什么是数字信号处理1.3.Realizationofdigitalsignalprocessing1.4.Characterofdigitalsignalprocessing1.5.Applicationofdigitalsignalprocessing1.6.Threepartsofthiscourse21.1什么是数字信号信息是客观世界中各种事物的状态和特征的反映，是消息中包含的有意义的内容。我们把信息的载体和表现形式称为信号。表示成V(t),x(t),orf(x,y).信号的分类:电信号、磁信号、声音信号、光信号、机械信号和热信号等；一维、二维和多维信号；周期信号和非周期信号；确定信号和随机信号;根据表示信号的函数的形式，即自变量和函数（信号幅值）的取值是连续数值还是离散数值分成连续时间信号、离散时间信号、模拟信号和数字信号。自变量和幅值均连续的信号称为模拟信号；自变量和幅度均离散的信号称为数字信号；自变量连续而幅值连续或离散的信号统称为连续时间信号；自变量离散而幅值连续或离散的信号统称为离散时间信号。3连续型数值离散型数值4x(t)x[n]自变量不一定是时间5自然界产生的信号一般都是模拟信号，数字信号由数字设备直接产生或从模拟信号转换得到，称为模数转换（AD：AnalogtoDigital）。在某些情况下，还需要将数字信号转换成模拟信号，称为数模转换（DA：DigitaltoAnalog）。6（4）CD光盘：数字和模拟声音信号举例数字记录声带等震动麦克风的电压变化模拟记录（1）磁带：（2）乙烯树脂唱片：（3）磁盘：用磁性强弱记录用密布的波状沟纹记录用微粒被吸引至两个方向之一记录0和1用铝层表面的凹凸不平记录0和1串模拟信号数字信号气压变化和传播72WhatisdigitalsignalprocessingContinuous-timesystemsaresystemsforwhichbothinputandoutputarecontinuous-timesignals.Discrete-timesystemsarethoseforwhichbothinputandoutputarediscrete-timesignals.Digitalsystemsarethoseforwhichbothinputandoutputaredigitalsignals.Digitalsignalprocessingdealswiththetransformationofsignalsthatarediscreteinbothamplitudeandtime.Itsessentialisoperationofadding,multiplying,anddelaying.8RCx(t)y(t)]1[][][naynxnysignalflowgraphofadiscrete-timelowpassfilter(a0)DifferenceequationisHardwareofacontinuous-timelowpassfilterx[n]y[n]a延时905/105/15/15/105/102/12/12/12/152/12/12/12/12Dlowpassfilter2Dhighpassfilter10原始图像低通滤波后高通滤波后9*9的摸板113.hardwareandsoftware1.3implementationofdigitalsignalprocessing1.software2.hardwareflexible;slowlyFast,small;noflexibilityfast，flexibleSCM(SingleChipMicrocomputer)FPGAprogrammableDSPchip（digitalsignalprocessor）12采用改进的哈佛总线结构；有硬件乘法器；使用流水线结构；有片内内存；有一套专为数字信号处理设计的寻址方式和指令系统；多芯片并行运行。Characterofdigitalsignalprocessor13CPU存储器（数据和指令）数据总线地址总线冯•诺依曼结构CPU程序存储器（或CACHE）数据存储器数据总线数据总线地址总线地址总线哈佛结构（改进型）14TI：定点TMS320C1X,TMS320C2X/C2XX,TMS320C5X/C54X,TMS320C62XX浮点TMS320C3X/C4X/C8X/C67XX。ADI:定点ADSP21XX；浮点ADSP21XXXAT&T:定点DSP16,DSP16A,DSP16C,DSP1610,DSP1616；浮点DSP32,DSP32C,DSO3210MOTOROLA:定点MC56000,MC56001,MC56002;浮点MC96002;专用：MC56200,MC56156ExampleofprogrammableDSPchip15浮点与定点芯片的主要优劣比较类型动态范围精度字长程序开发周期功耗速度价格浮点大高32位（可扩至40）短高慢高定点小低16位长低快低16AD1848ADSP2181PCDISKExampleofhardwareandsoftwarerealization17系统必须在有限的时间内对外部的输入信号完成指定的处理，即信号处理的速度必须大于或等于信号更新的速度；从信号输入到处理后信号输出的延迟必须足够小。Real-timeimplementation算法复杂度实时性取决于数据量（采样率）设备的处理速度缓冲大小采样程序‘处理程序DISKBUFFER1BUFFER2模拟信号数字信号18例如：音频信号的采样及压缩（DSP或CPU执行程序）分配乒乓（双）缓冲或循环（多）缓冲，每个缓冲大小为一帧。采样程序（中断程序）采样数据并放在乒缓冲内，压缩程序压缩乓缓冲内的数据。如果乒缓冲被放满前，乓缓冲的数据已被压缩完并存入硬盘，则压缩程序等待乒缓冲放满，然后压缩乒缓冲的数据，采样程序继续采样并将数据放入乓缓冲。这就是实时处理。如果处理速度低于采样速度，则当乒缓冲被放满时，乓缓冲的数据还未被压缩完，采样程序就要等待压缩程序，即采样的数据丢掉不存，这就是不能达到实时处理。设采样率48KHz，帧长为1152个采样点。则采样一帧的时间为1152/48k=24ms，所以压缩一帧的时间须小于24ms延时=采样时间+处理时间。又如：音频信号的解压及回放解压后的数据帧和正在回放的数据帧分别放在乒乓缓冲中。解压程序速度必须高于回放速度。191.4Characterofdigitalsignalprocessing(3)higherreliability(1)higherprecision(2)higherflexibility(6)moreprocessabilities：losslesscompression,linearphase,ErrorCorrectionEncoding,regenerativerepeater（中继再生）(4)cheaper(5)predictability202FSK调制信号数字信号101011基带信号基带传输后的失真信号数字基带信号和2FSK调制信号21DTVATV信源编码MPEG2PAL/NTSC/SECAM传输与接收数字模拟主观质量接近演播室无法达到SDTV效果只与压缩有关受环境影响先进的传输技术（信道编码、调制、再生）去除环境影响（例如多径干扰）资源节省功率（只10%）和频带有禁用频道，临近频道一个模拟频道传4路SDTV不能用，2个频道传1（或1路HDTV)路节目功能环绕声；单声道/立体声；可传数据（菜单等文字信只能在消隐期传少量数息）；观众可自由选择节目据；的视频点播（VOD）；可移不能移动动转播举例数字电视的优势22(1)数据量大，压缩很关键而MP3仅为128kbps=16k字节/S，压缩比12：1，双声道需存储空间1M/分钟假设用48kHz、16bit来进行立体声采样比特率为：48000*16*2/8=192K字节/S一个汉字在电脑里占用两个字节，192K字节可以存储9.6万个汉字（一部中篇小说）。未压缩的视频信号数据量640*480*24帧/秒=27Mbyte/s(2)版权、认证数字化产生的问题23在安静的环境下，某一频率的声音刚好能被听见的强度，体现出人耳对不同频率的敏感程度不同。有损音频压缩原理简介音频压缩分：无损压缩和有损压缩有损音频压缩技术除了去除音频信号的客观冗余以外，还利用了人耳的听觉特性去除信号的主观冗余，以达到提高压缩比的目的。24频率掩蔽现象：某一频率的声音的存在，使其邻近频率的声音必须远高于静态掩蔽值才能被听到。前者称掩蔽音(maskingtone)，后者称被掩蔽音(maskedtone)。25时间掩蔽现象：当某一较强的声音（掩蔽音）停止后，与其邻近频率的另一较弱的声音（被掩蔽音）要过一段时间才能被听见。时间掩蔽曲线表示掩蔽音停止后过一段时间，被掩蔽音能被听见的强度阈值。26压缩的基本途径：心理声学模型得到信号的频域掩蔽曲线，若某频率处信号的强度低于该频率处的掩蔽阈值，则不能被人耳感受，可以去除；另外对于不能去除的频率成分，对其进行量化以减少编码比特，其中选择量化阶的依据就是使量化噪声低于掩蔽阈值，使人耳感觉不到，另外huffman等熵编码（无损）也能进一步提高压缩比。MPEG-1layer3编码器框图PCM音频分析子带滤波MDCT失真控制循环和非归一化量化控制循环霍夫曼编码格式化和CRC心理声学模型边信息编码MP3码流27LSB水印简介28(F)archaeology1.5Applicationofdigitalsignalprocessing(A)communications(B)entertainment(C)medicine(D)military(E)exploration29DAT（数字磁带录音机）CDMD（迷你唱片）MP3播放机VCD播放机DVD播放机数码相机数码摄像机数码扫描仪PDA数字手机个人数码产品30数字电台和数字电视31因特网办公室局域网蓝牙技术为数码设备建立无线连接信息高速公路数字网络32虚拟现实技术3334电子纸张35(1)Basisofdiscrete-timesignalandsystems(2)Structureanddesigningoffilter(3)ThediscreteFouriertransformandFFT1.6Threepartsofthiscourse