數字信號處理

1、數字信號處理（DSP--Digital Signal Processing）,王衛(wèi)江Email: wangweijiang@bit.edu.cnOffice: 4#102Phone:68913074--605,《數字信號處理》共48學時，其中8學時為實驗。,考核方法（百分制）：1. 平時作業(yè)(4次)：10分2. 課堂出勤率（隨機）： 10分3. 實驗 ：10分（必須及格）4. 期末考試： 70分,參考文獻：1. 王世一

2、，數字信號處理，北京理工大學出版社。2. [美]奧本海姆，離散時間信號處理，科學出版社。3. 程佩青， 數字信號處理教程， 清華大學出版社。,課程主要內容：Ch2. 離散時間信號和系統分析基礎（復習）Ch3. 離散傅立葉變換(DFT)Ch4. 快速傅立葉變換(FFT)Ch5. 數字濾波器(DF),課程主要任務：1. 掌握數字信號的表示、變換與濾波器設計的理論和方法；2. 掌握數字信號處理的基本理論和方法；3. 靈活運用

3、FFT、DF處理實際問題。,第一章 數字信號處理概述,1.1 兩個概念,數字信號處理（DSP：Digital Signal Processing）,電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎課程； 研究解決 等理論與方法。,,數字信號表示,數字信號的變換,濾波器設計,第一章 數字信號處理概述,1.1 兩個概念,數字信號處理器（DSPs：Digital Signal Process

4、ors）,專門用于數字信號處理的超大規(guī)模集成電路；超級哈佛結構；硬乘法器；……,第一章 數字信號處理概述,第一章 數字信號處理概述,第一章 數字信號處理概述,第一章 數字信號處理概述,第一章 數字信號處理概述,第一章 數字信號處理概述,第一章 數字信號處理概述,,第一章 數字信號處理概述,第一章 數字信號處理概述,1.1 結論,DSP vs. DSPs,i. DSP發(fā)展促使DSPs性能提高；,ii. DSPs性能提高推動DSP創(chuàng)

5、新，擴大應用領域。,1.2 信號、系統及數字信號處理過程,1.2.1 信號－－傳載信息的函數,雷達發(fā)射信號：,雷達回波信號：,信號函數自變量通常取t來表示，當然還可以取其他的自變量，如頻率f、空間（x,y）等。,信號的分類：,第一種分法(按照維數)：,信號的分類：,信號的分類：,信號的分類：,,第二種分法（時間、幅度）：,模擬信號與連續(xù)時間信號－x(t),時間連續(xù)、幅值連續(xù),時間連續(xù)、幅值可連續(xù)可離散,離散時間信號與數字信號－x(n)

6、,離散時間信號：信號取值僅在離散時間點上才有定義；數字信號： 將離散時間信號在幅度上進行量化。,1.2.2 系統 反映信號處理因果關系的設備或運算,連續(xù)時間系統：輸入與輸出都為連續(xù)時間信號的系統。,離散時間系統：輸入與輸出都為離散時間信號的系統。,模擬系統：輸入與輸出都是模擬信號的系統。,數字系統：輸入與輸出都是數字信號的系統。,1.2.3 數字信號處理過程：,DSP是整個系統的核心，可完成：,DFT（第三章

7、）,FFT（第四章）,FIR、IIR（第五章）,功率譜估計（第六章）,快速卷積、相關、內插、多抽樣等處理。,D/A輸出,模擬濾波輸出,1.3 數字信號處理的發(fā)展及優(yōu)點,1965年FFT（Fast Fourier Transform）問世，40年來，DSP在理論、實現、應用三個方面迅速發(fā)展，成為高技術領域中一個重要的學科。,1.3.1 DSP的發(fā)展,理論方面：,1.信息采集：傳感器、抽樣、量化；,2. DT（Discrete Time）信

8、號與系統分析： 時域、頻域、復頻域；,3.信號處理中的快速算法：FFT、快速卷積、相關；,4.濾波理論與方法：經典數字濾波器、現代濾波器；,理論方面：,5.信號估計理論：各種估計方法、相關、功率譜估計；,6.信號建模：AR（自回歸）、MA（滑動平均）、ARMA；,7.信號處理的特殊算法：抽取、內插、解卷積。,實現方面：,1.在通用機上通過軟件編程實現，速度較慢，多用于方案前期論證、模擬仿真；,2.用單片機實現，如80

9、51系列，多用于控制、醫(yī)療器等領域，主頻在幾十兆赫茲；,實現方面：,3.用專用的DSP芯片實現，如TI公司的TMS320CXX系列、AD公司的TigerSHARC系列，其主頻可高達600~1200MHz，內核包括一個或兩個ALU，可用于雷達、聲納、通信、醫(yī)療等各行各業(yè)；,4.特殊用途的ASIC芯片實現，如專用的FFT、FIR、卷積、相關等芯片，只能實現固定的功能，靈活性差，但速度快。,應用方面：,DSP是應用最廣、成效最顯著

10、的新學科之一。應用領域包括：語音、雷達、聲納、圖像、通信、控制;生物醫(yī)學、機械振動、遙感遙測、地質勘測;航天航空、電力能源、故障探測、自動化儀表等等。,1.3.2 DSP的優(yōu)點,1) 精度高,模擬系統，元器件精度很難達到10-3以上 數字系統，17位字長可以達到10-5的精度，很容易。,,數字信號處理采用專用或通用的數字系統 性能取決于運算程序和乘法器的各系數 只要改變運算程序或系數，即可改變系統的特性參數 模擬系統

11、做不到例如：數字濾波器比模擬濾波器靈活。,2）靈活性強,2）靈活性強,2）靈活性強,3階巴特沃斯低通濾波器,2）靈活性強,2）靈活性強,3階巴特沃斯高通濾波器,2）靈活性強,2）靈活性強,2）靈活性強,2）靈活性強,FIR數字濾波器可以實現嚴格的線性相位； 數字信號處理中將信號存儲起來，用延遲的方法實現非因果系統，提高系統的性能指標； 數據壓縮方法大大減少信息傳輸中的信道容量。,3）可實現模擬系統很難達到的指標或特性,利用龐

12、大的存儲單元，可以存儲二維的圖像信號或多維的陣列信號，實現二維或多維的濾波及譜分析等。,4）實現多維信號處理,5）穩(wěn)定性好,模擬系統：模擬元器件（電阻、電容、運算放大器等）的特性隨著環(huán)境溫度、濕度的改變而變化。 數字系統：只要在門限范圍內，不會隨著溫度的變化而變化。,6）抗噪聲能力強,模擬系統：存在噪聲積累 數字系統：不存在噪聲積累,7）糾錯、加密/解密,信號在傳輸過程中，存在傳輸出錯的可能，或者信息安全的問題；數據采用

13、數字系統傳輸時，可以很容易地在數據流中插入“冗余碼”進行糾錯或者加密/解密。,（1）增加了系統的復雜性 需要模擬接口以及比較復雜的數字系統。（2）應用的頻率范圍受到限制 主要是A/D轉換的采樣頻率的限制。,數字信號處理缺點：,（3）系統的功率消耗比較大 數字系統中集成了幾十萬甚至更多的晶體管 模擬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。,數字信號處理缺點：,數字信號處理發(fā)展

14、特點：,(1)由簡單的運算走向復雜的運算 幾十位乘幾十位的全并行乘法器可以在數個納秒的時間內完成一次浮點乘法運算； 在運算速度上和運算精度上為復雜的數字信號處理算法提供了先決條件；,(2)由低頻走向高頻 模數轉換器(ADC)的采樣頻率已高達數千兆赫； 將視頻甚至更高頻率的信號數字化后送入處理器；,(3)由一維走向多維 高分辨率彩色電視雷達石油勘探,數字信號處理發(fā)展特點：,（4）各種數字信號處理系統更新換代快,圖像處

15、理方面 VCD ? DVD移動通信方面 2G ? 3G計算機方面 CPU、 內存、硬盤,數字信號處理發(fā)展特點：,年代特點 $/MIPS60年代大學探索 $100-$1,00070年代軍事運用 $10-$10080年代商用成功 $1-$1090年代進入消費類電子 $0.1-$1今后生活用品 $0.01-$0.1,數字系統性價比,,,,

16、,,,,,,,,,Digital Media Processing,Webpad,Telematics,Wireless Devices:802.11, Bluetooth, Others,Enhanced Gaming,Military and Government Cellular, Secure Connectivity,Industry-Specific PDAs,Biometrics,,Medical Devices,

17、各種數字信息系統,機械制造 基于 FFT算法的頻譜分析儀用于振動分析和機械故障診斷；醫(yī)學 數字信號處理技術對心電(ECG)和腦電(EEG)等生物電信號作分析和處理；數字音頻廣播(DAB)，等等。,數字信號處理新的應用領域,數字信號處理系統的實現,軟件實現硬件實現片上系統（SOC, System on a Chip）,用通用數字計算機運行數字信號處理程序。 優(yōu)點： 經濟，一機多用；缺點：處理速度慢 適用場合：非實

18、時的應用場合,(1) 數字信號處理的軟件實現,舉 例：目的： 處理一盤混有噪聲的錄像帶；方法：將圖像信號轉換成數字信號并存入計算機，一幀幀處理這些數據，再將處理結果還原成一盤清晰的錄像帶。結論：通用計算機可完成上述任務，不必花費較大的代價去設計一臺專用數字計算機。,(1) 數字信號處理的軟件實現,針對特定的應用目標，設計一專用的軟硬件系統。 優(yōu)點： 容易做到實時處理 缺點： 設備只能專用,,(2)數字信號處理的硬件實現,