数字信号处理绪论

数字信号处理西南科技大学信息工程学院张红英QQ:304822275Email:[e-mail]第一章概论课程概述本课程主要介绍数字信号处理的基本原理、方法和实现学习目的：基本掌握现代数字信号处理的基本概念及方法，并能运用其原理解决工程技术领域的实际问题课程特点：理论和实践、原理和应用的紧密结合先修课程：复变函数、概率论、信号与系统、计算机基础总学时数：45主要参考书：英文：(1)奥本海姆著：数字信号处理(2)奥法尼德斯著：信号处理导论中文：(1)《数字信号处理教程》，程佩青，清华大学出版社。(2)《数字信号处理-理论、算法与实现》，胡广书，清华大学出版社。(3)《离散时间信号处理》，【美】奥本海姆著，黄建国、刘树棠译，科学出版社出版。(4)《数字信号处理及MATLAB实现》，余成波等，清华大学出版社课程概述教学内容：绪论第1章离散时间信号与系统第2章Z变换与DTFT第3章DFT第4章FFT第5章数字滤波器的基本结构第6章IIR数字滤波器的设计第7章FIR数字滤波器的设计考核办法：平时作业和考勤20％期末成绩60％大作业20％数字信号处理的两个内涵DigitalSignalProcessing(数字信号处理).数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。（数字信号处理三大块：滤波、变换、复原）DigitalSignalProcessor(数字信号处理器).数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。（复杂性、快速性）数字信号处理系统中的微处理器通用微处理器（GPP：GeneralPurposeProcessor）单片机（SignalChipComputer，也称MCU，MicrocontrollerUnite）DSP处理器信息化的基础是数字化-Thefoundationofinformationtechnologyisdigitalization.数字化的核心技术之一就是数字信号处理-Thekernelofdigitalizationisdigitalsignalprocessing数字信号处理的任务，特别是时实处理的任务，在很大程度上需要有DSP器件或以DSP为核心的ASIC来完成-Mostofdigitalsignalprocessing,especiallyreal-timeprocessingareimplementedbyDSPprocessororASICbasedonDSPcoreDSP技术已经成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术-DSPtechnologybecomeshotfrontedgeandisgrowinguprapidly.基本概念-信号(SIGNAL)•信号（Signal）：信息的载体，信息的物理表现形式，是传递信息的函数•信息：信号的具体内容。信号我们并不陌生，如刚才铃声—声信号，表示该上课了；十字路口的红绿灯—光信号，指挥交通；电视机天线接受的电视信息—电信号；广告牌上的文字、图像信号等等。•信号是信息的表现形式与传送载体，信息是信号的传送内容，通过信号传递信息。•为了有效地传播和利用信息，常常需要将信息转换成便于传输和处理的信号。信号的分类方法很多，可以从不同的角度对信号进行分类；信号的分类电信号与非电信号电信号：随时间变化的电压和电流。非电信号：声信号、光信号周期信号和非周期信号()()ft=ft+kT周期信号：非周期信号确定性信号和随机信号确定性信号：信号在任意时刻的取值能精确确定随机信号：信号在任意时刻的取值不能精确确定信号的分类离散时间信号：在时间上是离散的，只在某些不连续的规定瞬时给出函数值，其它时间没有定义。用k表示离散时间变量连续信号和离散信号连续时间信号：信号存在的时间范围内，任意时刻都有定义（即都可以给出确定的函数值，可以有有限个间断点）。用t表示连续时间变量tf(t)0k012f(k)信号的分类模拟信号，抽样信号，数字信号fkk0•数字信号：时间和幅值均为离散的信号。•模拟信号：时间和幅值均为连续的信号。•抽样信号：时间是离散的，幅值是连续的信号。量化Ottf抽样fkk0信号的分类能量信号与功率信号将信号f(t)施加于1Ω电阻上，它所消耗的瞬时功率为|f(t)|2，在区间(–∞,∞)的能量和平均功率定义为（1）信号的能量EttfEd)(2def（2）信号的功率P222defd)(1limTTTttfTP若信号f(t)的能量有界，即E∞,则称其为能量有限信号，简称能量信号。此时P=0若信号f(t)的功率有界，即P∞,则称其为功率有限信号，简称功率信号。此时E=∞信号的分类时限信号(仅在有限时间区间不为零的信号)为能量信号;周期信号属于功率信号，而非周期信号可能是能量信号，可能是功率信号，也可能是非功率非能量信号。因果信号与非因果信号因果信号：t0时，f(t)恒为0。实信号与复信号信号的分类一维信号和多维信号一维信号：只由一个自变量描述的信号，如语音信号；多维信号：由多个自变量描述的信号，如图像信号．按实际用途划分：电视信号，雷达信号，控制信号，通信信号，广播信号，……信号的分类信号分析方法：（1）时域分析（2）频域分析（DFT、FFT）（3）时－频域分析（小波分析）基本概念——系统系统是将信号进行处理(或变换)以达到人们要求的各种设备。系统可以是硬件的，也可以是软件编程实现的。系统的分类（按所处理信号种类不同分类）连续时间信号系统（模拟信号系统）离散时间信号系统数字信号系统线性/非线性，时不变/时变，因果/非因果，稳定/非稳定。。。。。。信号与系统的描述激励输入信号响应输出信号系统•任何系统都接受输入信号，产生另外的输出信号，系统的特定功能就是用其输入/输出信号的变换关系来描述的。•任何信号的改变，无论是物理形态的改变还是所包含信息内容的变化都是某种系统实现的。信号理论与系统理论信号理论：系统理论：信号分析：研究信号的基本性能，如信号的描述、性质等；信号传输信号处理系统分析：给定系统，研究系统对于输入激励所产生的输出响应。系统综合：按照给定的需求设计（综合）系统。例：一个离散系统可表示为输入x(n)输出y(n)时域X()H()Y()频域线性系统h(n))(*)()(nhnxny时域表达式：频域表达式：)()()(HXY系统分析－已知系统构成，给定输入激励，可求出输出响应；信号恢复－已知系统构成，已知输出，可求输入信号（从系统输出信号中提取原信号）系统辨识－已知系统的输入和输出，求系统函数或系统时间特性（系统综合）。从时域表达式可知：1）已知x、h，求y是求卷积；2）已知x、y，求h是求卷积的反演－解卷积；3）已知h、y，求x是解卷积。从频域表达式可知，只要已知两个物理量，就可通过乘除运算求得第三个物理量。在频域对系统分析、综合，及信号恢复的运算都将变得容易一些。)(*)()(nhnxny)()()(HXY系统分析方法：时域、频域（DFT、FFT）、复频域等。基本概念——信号处理信号处理是研究用系统对含有信息的信号进行处理(变换)，以获得人们所希望的信号，从而达到提取信息、便于利用的一门学科内容包括：滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等信号处理的发展现代信号处理的标志傅立叶变换(19世纪初叶)信号处理的发展1965年快速傅立叶变换算法（FFT）的问世，作为数字信号处理学科的开端。理论包括：(1)信号的采集(A/D技术、抽样定理、量化分析)；(2)离散信号的分析(时域及频域分析、各种变换技术、信号特征的描述等)；(3)离散系统分析(系统描述、单位抽样响应、转移函数、频率特性等)；基础(4)快速算法(FFT)；(5)数字滤波技术(有限长、无限长数字滤波器设计与实现)；(6)信号的估值(功率谱估计与相关函数估计等)；(7)信号的建模(如：AR-全极点模型，MA-全零点模型，ARMA-零极点模型，等)；(8)数字信号处理的应用技术(数据压缩、语音编码、图象压缩等)；(9)实现(软件、硬件)信号处理的发展信号分析：加深对信号特性的理解例如：用频谱仪分析信号，了解其频谱分布、噪声、杂散等技术监督部门用以检查商品质量的各种手段信号处理的发展信号处理：改变信号的某些特征来满足人们的要求例如：信号的编码/解码，调制/解调，压缩/解压，扩频/解扩等电视信号的调制是信号处理的杰作(调频的伴音副载频，彩色副载频，残留边带调制)分类：模拟信号处理数字信号处理CRxa(t)ya(t)延时x(n)y(n)a信号处理的发展为什么要采用数字信号灵活性高模拟处理系统：修改硬件设计，或调整硬件参数。数字处理系统：改变软件设置。例如：模拟滤波器，数字滤波器，自适应滤波器为什么要采用数字信号精度高模拟处理系统：元器件精度数字处理系统：A/D的位数和计算机字长，算法。可靠性和可重复性模拟系统：受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响大数字系统：可靠性和可重复性好为什么要采用数字信号可重复性放大器A放大器B信号发生器计算机A计算机B抗噪声干扰大规模集成模拟系统：尽管已有一些模拟集成电路，但品种较少、集成度不高、价格较高数字系统：DSP体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能/价格比高为什么要采用数字信号模拟信号处理是不可取代的时实性模拟系统：除开电路引入的延时外，处理是时实的数字系统：由计算机的处理速度决定高频信号的处理模拟系统：可以处理包含微波毫米波乃至光波信号数字系统：按照奈圭斯特准则的要求，受S/H、A/D和处理速度的限制模拟信号处理是不可取代的模拟与数字信号的转换现实世界的信号绝大多数是模拟的(温度、速度、压力等)，转换成的电信号也是模拟的(电流、电压等)。要实现数字处理，就必须进行转换。模拟信号处理是不可取代的DSP系统的基本组成)(txa)(tyaA/DD/A数字信号处理器)(nx)(ny算法数字信号处理理论数字信号处理方框图DSP系统的实现方法软件实现法----慢，灵活硬件实现法----快，不灵活DSP芯片实现法-----快，灵活DSP技术的应用移动通信系统-MOBILEPHONEGSM手机的简单框图手机不仅仅用于通话-THEHANDSETISNOTONLYUSEDFORVOICECOMMUNICATION理想的软件无线电-SOFTWARERADIOADCDSPaudioDigitalvideo中频采样软件无线电BPFLocaloscillatorBPFADCDSPaudioDigitalvideoLNA数字照相机（DIGITALCAMERA)DIGITALCAMERA汽车多媒体系统MASSSTORAGE-DVD(DIGITALVIDEODISC)HDTV-HIGHDEFINITIONTV声音噪声消除图像噪声消除新加坡南洋理工大学，1998年TIdsp大赛金奖图像噪声消除等离子电视-PDP(PLASMADISPLAY)TV家庭影院(HOMETHEATER)机顶盒（SET-TOP-BOX）飞机模拟驾驶器(SIMULATOROFAIRPLANE)虚拟仪器CDMAMEASUREMENTSWITHVECTORSIGNALANALYZER全球定位系统GPS(GLOBALPOSITIONSYSTEM)雷达和声纳（RADAR/SONAR）巡航导弹(CRUISEMISSILE)中国新型YJ-62C远程反舰巡航导弹国产的DH-10型巡航导弹美海军战舰发射战斧式巡航导弹F117发射激光制导灵巧炸弹(SMARTBOMBFROMF117)美国海军EP-3电子侦察机图像识别(PATTERNRECOGNIZATION)图像鉴别(IMAGEDISTINGUISH)还可以举出很多的例子医院用的B超、CT、核磁共振等