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数字信号处理DigitalSignalProcessing张萍zpptxy@163.com课程性质及重要性•课程性质–专业必修课–周2学时•课程的重要性•课程资料–天空教室（作业、答疑、文件等）•考试方法–闭卷考试2信号与系统电子教案课程内容•第1章时域离散信号和时域离散系统•第2章时域离散信号和系统的频域分析•第3章离散傅立叶变换（DFT）•第4章快速傅立叶变换(FFT)•第5章时域离散系统的网络结构•第6章无限脉冲响应数字滤波器的设计•第7章有限脉冲响应数字滤波器的设计课程主要内容、难点及学习方法–主要内容：傅立叶变换、离散时间系统的变换域分析、数字滤波器设计–难点1：理论性强，公式多，概念抽象•基本概念、核心理论、思考与分析方法•重视关键公式推导及课后练习•重视实验环节，加深概念理解–难点2：课时有限，教学内容多•在有限的课时内高效地组织学习教学内容•培养兴趣，充分发挥学习主动性•利用Internet扩大知识面，了解学科发展背景和发展动态考试和考核方式平时成绩（包括出勤、作业）50%期终考试50%（闭卷）•指出并更正课件中错误（Email）•指出并更正教材中错误（Email）•数字信号处理－基于计算机的方法（第二版），Mitra著,电子工业出版社.•数字信号处理教程(第二版），数字信号处理习题解答，程佩青，清华大学出版社•离散时间信号处理，[美]A.V.奥本海姆，科学出版社.•SignalProcessing信号处理导论,SophoclesJ.Orfanids,清华大学出版社.•数字信号处理使用MATLAB,维纳.K.恩格尔约翰.G.普罗克斯,刘树棠译，西安交通大学出版社.•基于MATLAB的系统分析和设计-信号处理，楼顺天等编著，西安电子科技出版社.参考书数字信号处理—基于计算机的方法（第三版）上册DigitalSignalProcessingAComputer-BasedApproach，3rdEditionSanjitK.Mitra著孙洪等译电子工业出版社2006.6国外电子与通信教材系列实验指导书数字信号处理实验指导书(MATLAB版)—DigitalSignalProcessingLaboratoryUsingMATLABSanjitK.Mitra著孙洪余翔宇等译电子工业出版社2005.1国外电子与通信教材系列其它学习资源•附书光盘、教材勘误、相关背景资料•其它精品课程网站•西安电子科技大学•华南理工大学数字信号处理概述•信息技术革命是人类历史上的第四次革命•第一次革命：石器时代，直立行走使人类解放了自己的手；•第二次革命：十八世纪，以蒸汽机为先导的工业革命；•第三次革命：十九世纪末二十世纪初，以电器技术为先导的电器产业革命；•第四次革命：二十世纪，从五十年代开始到八十年代，以电子和信息技术为先导引起的一场信息产业革命。数字信号处理的重要性•从模拟到数字是第四次革命的主要特征•我们实际生活在一个模拟的世界里，我们接触的信息都是模拟信号，因为模拟信号难以获得、存储、放大、传输，所以我们采用了数字技术来对模拟信号进行处理，这推动了DSP的发展；•信息化的基础是数字化，数字化的核心技术就是数字信号处理，数字信号处理是数字化大厦的基石。•数字信号处理，是从20世纪50年代起，随着信息学科和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科•数字信号处理的任务，特别是实时处理的任务，在很大程度上需要由DSP器件或以DSP为核心的ASIC/AP（ApplicationProcessor）来完成，DSP技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术。DSP的应用正在日益发展Mobilephone(infrastructureandhandset)StillalonevideophoneRadar/SonarMissileandSmartBombGuide消费类电子DC/DVHDTVHomeTheaterMP3汽车电子中的MCU/DSP生物医学工程UltrasoundCT(ComputedTomography)MRI(MagneticResonanceImaging)GammaknifeHearingAid•数字信号处理(DSP)•(DigitalSignalProcessing)•数字信号处理是把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数值计算方法进行各种处理，达到提取有用信息便于应用的目的。•例如：滤波、检测、变换、增强、估计、识别、参数提取、频谱分析等。•DSP:–DigitalSignalProcessor数字信号处理器–DigitalSignalProcessing数字信号处理技术。数字信号处理的概念傅立叶（Fourier,JeanBaptisteJoseph,1768-1830），深受拿破仑器重的法国数学家及物理学家。贡献：最早使用定积分符号，改进符号法则及根数判别方法。傅立叶级数（三角级数）创始人，傅立叶分析理论奠基人。数字信号处理的历史数字信号处理的核心理论——傅立叶分析方法的建立过程•古巴比伦人利用“三角函数和”的概念来描述周期性过程，并用来预测天体运动；•1748年，欧拉在振动弦的研究中得出结论：如果在某一时刻振动弦的形状是这些标准振荡模的线性组合，那么在其后任何时刻，振动弦的形状也是这些振荡模的线性组合；•1753年，D·伯努利（D·Bernoulli）声称：一根弦的实际运动都可以用标准振荡模的线性组合来表示；•1759年，拉格朗日提出强烈批评：不可能用三角级数来表示一个具有间断点的函数；•1802年，傅立叶构思了关于三角级数的想法。热的传播和扩散现象是傅立叶研究成果的实际物理背景；•1807年，在论文《热的传播》中引入了傅立叶级数与积分，拉普拉斯、拉格朗日、勒让德、孟济、拉克劳克斯组成的评审委员会虽承认傅立叶此成果的新颖和重要性，但却批评其缺乏数学的严谨，最终由于拉普拉斯的强烈反对未能发表；•1822年，发表专著《热的分析理论》全面论述了傅立叶级数的思想；•1829年，狄里赫利给出了傅立叶级数存在的精确条件，完善了傅立叶级数理论；•19th/20thcentury:出现了两种Fourier分析方法-Continuous&Discrete；•1965年，IBM的Cooley和BellLab的Tukey发明了FFT算法，使傅立叶变换得以在计算机平台上快速实现；•1978年:出现了第一块DSP芯片（TI）；•80年代:随着大规模集成电路技术、微电子技术、半导体技术的发展，出现了专用的离散时间信号处理高速定点、浮点计算器；•90年代至今：DSP技术发展迅速，渗入到人们学习、工作、生活各方各面；同时出现了新的DSP理论和方法，如现代谱分析、小波等。JohnTukey1915-2000JamesW.Cooley1926-Cooley,JamesW.,andJohnW.Tukey,AnalgorithmforthemachinecalculationofcomplexFourierseries,Math.Comput.19,297–301(1965).20世纪最伟大的十个算法1.1946.LosAlamos的VonNeumann,StanVlam,NickMetropolis编的Metropolis算法,即MonteCarlo方法2.1947兰德公司的GrorgeDantzig创造的线性方案的单纯性算法3.1950.美国国家标准局数值分析所的MagnusHestenes,EdwardStiefel,CorneliusLanczos的Krylovz空间迭代法4.1951橡树岭国家实验室的AlstonHouseholder矩阵盘算的分解方法5.1951JohnBackus在IBM领导的小组研制的Fortron最优编译程序6.1959-61伦敦的FerrantiLtd的J.G.F.Francis的称为QR的算法的盘算机本征值7.1962London的ElliotBrothersLtd的TonyHoare提出的快速(按大小)分类法8.1965IBM的Cooley与Princeton&Bell的Turkey的FFT算法9.1977BrighhamYoung大学的HelamanFerguson和RodneyForcede的整数关系侦察算法10.1987Yale的LeslieGreengard和VladinimirRokhlin创造的快速多级算法信号的分类•信号(signal)信号是一个或多个独立变量的函数,该函数含有物理系统的信息或表示物理系统状态或行为。独立变量可以是时间、距离、速度、位置、温度、压力等。•信号的产生：自然、人工合成、计算机模拟；•信号处理的目的：提取信号中的有用信息，涉及信号的数学表示以及提取和分析算法。信号的分类：(1)按独立变量个数：•一维(1-D)信号:一个独立自变量的函数，如语音，表示为x(t)、x(n)•二维(2-D)信号:两个独立自变量的函数，如图象，表示为u(x,y)。•多维(M-D)信号:多个独立自变量的函数，如彩色视频信号，表示为：zyxbzyxgzyxrzyxu,,,,,,,,中音C和弦CEG脑电图EEG一维信号：单词Away256Hz音叉信号注意声音与频率的关系虎鲸的声音图像信号：Multi-Dimensionalsignals黑白图像：二维信号=++彩色图像：三通道二维信号黑白视频信号：三维信号彩色视频信号：三维三通道信号（2）按自变量因变量的连续性分：连续时间信号（continue-timesignal）：自变量（一般为时间）连续有定义的，表示为x(t)，包括：（a）模拟信号（analogsignal）：时间连续、幅度连续的信号。（b）量化矩形信号（quantizedboxcersignal）：具有离散幅值的连续时间信号。离散时间信号（discrete-timesignal）：自变量在离散时间点有定义表示为{x(n)}，包括：（a）数字信号（digitalsignal）：时间和幅度上都是离散(量化)的信号。（b）采样数据信号（sampled-datasignal）：具有连续幅值的离散时间信号。数字信号可用一序列的数表示，而每个数又可表示为二制码的形式，适合计算机处理。（3）确定信号和随机信号确定信号（deterministicsignal）：可以用一个定义好的过程（如数学表达式、规则或表）来唯一确定的信号。随机信号（randomsignal）：随机产生，无法预测的信号，一般用统计的方法进行分析。如白噪声。•系统：处理信号的物理设备。或者说，凡是能将信号加以变换以达到人们要求的各种设备。模拟系统与数字系统。•信号处理的内容：滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等一系列的加工处理。系统处理y(t)x(t)•多数科学和工程中遇到的是模拟信号。以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。•模拟信号处理缺点：难以做到高精度，受环境影响较大，可靠性差，且不灵活等。•随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展，加之从60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号，即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。•随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。数字处理的优点：1.精度高2.可靠性高3.易于大规模集成4.可以时分复用，共享处理器；5.灵活性大6.可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等7.可用于频率非常低的信号8.可获得高性能指标9.二维与多维处理数字处理的优点：精度高•在模拟系统中，它的精度是由元件决定，模拟元器件的精度很难达到10-3以上。而数字系统中，17位字长就可达10-5精度，所以在高精度系统中，有时只能采用数字系统。数字处理的优点：可靠性强•数字系统：只有两个信号电平0，