數(shù)字信號處理digitalsignalprocessing主講教師胡廣書

1、數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing),國家電工電子實驗示范中心 數(shù)字信號處理課程組,（一）信號（二）數(shù)字信號（三）數(shù)字信號處理 1 數(shù)字信號處理的任務(wù) 2 數(shù)字信號處理的優(yōu)勢 3 數(shù)字信號處理的理論 4 數(shù)字信號處理的實現(xiàn) 5 數(shù)字信號處理的應(yīng)用

2、 6 關(guān)于數(shù)字信號處理的學(xué)習(xí),關(guān)于數(shù)字信號處理,什么是DSP?,Digital Signal Processing (DSP) 一門新的學(xué)科Digital Signal Processor (DSP) 數(shù)字信號處理器: DSPs,一門正在蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)學(xué)科,,,信號？,數(shù)字信號？,數(shù)字信號處理？,信號是信息（Information)的載體 ，即信息包含在信號中。

3、 信號，特別是一維信號，多是時間 的函數(shù)，即,（一） 信號,,連續(xù)時間信號，又稱模擬信號（Analog Signal),常見信號： 電壓，電流，磁通；溫度，壓力， 壓強；光，機械振動； 價格，經(jīng)濟指數(shù)，股市指數(shù)； 流量，水位，潮位；

4、人體生理信號 等等,常見人體生理信號 （生物醫(yī)學(xué)信號）,ECG(心電)EEG(腦電)EOG(眼電)EMG(肌電)PCG(心音),要求：準確檢測R波，>99％ 準確檢測 P,Q,S,T等波， &

5、gt;90% 準確測量 P－Q間期， QRS寬度， S-T段形態(tài),不同心臟病人的心電圖,腦電信號,胎兒心電信號,腦電（EEG）的節(jié)律（即主要頻率）：,節(jié)律：<4Hz 的成分；,節(jié)律：4Hz～8Hz 的成分；,節(jié)律：8Hz～13Hz 的成分；,節(jié)律：>13Hz 的成分。,（深睡）,（淺睡）,（清醒）,（受刺激或思考）,火車鳴笛信號,二維信號：視頻信號：,,作用：將非電信號轉(zhuǎn)化為電信號。

6、 轉(zhuǎn)化后的信號是連續(xù)時域模擬 （Analog)信號, 可以用 表示。 模擬信號產(chǎn)生、處理和傳輸所使用 的器件是: R, L, C, OP(運算放大器) 缺點: 體積大, 精度低，不靈活,傳感器 (sensor),（二）數(shù)字信號,流程圖,,,,,,,,,,,

7、,,例: A/D 8bit 5V,00000000 0V,00000001 20mV,00000010 40mV,29mV,31mV,,A/D芯片已高度集成化，將這些芯片配以一些必要的外圍電路可做成不同的A/D板（又稱數(shù)據(jù)采集板）。將A/D板插入普通計算機（如PC）的擴展槽中，配以相應(yīng)的軟件即可實現(xiàn)信號的抽樣。A/D芯片有兩個主要的參數(shù)，一是字長，二是轉(zhuǎn)換速度。現(xiàn)在市售的A/D芯片的字長有

8、8bit，10bit，12bit及14bit，字長越長，量化誤差越小，自然，轉(zhuǎn)換的精度就越高。轉(zhuǎn)換速度決定了其A/D芯片的最大抽樣速度，目前市售的A/D芯片的抽樣速度可由幾十千赫至幾百兆赫。當(dāng)然，字長越長，速度越高，其售價也越貴，使用者應(yīng)視實際需要選用。,以PC或?qū)Ｓ肈SP裝置為硬件平臺, 以數(shù)值分析為基本工具, 發(fā)展眾多的信號處理算法，實現(xiàn)信號自身的提取或是信號有用特征( 幅度, 周期, 持續(xù)時間, 過零點個數(shù), 上升時間, 下降時間

9、, 自相關(guān)函數(shù), 功率譜)的提取, 以達到認識信號, 利用信號的目的。,（三） 數(shù)字信號處理,任務(wù)：從信號中提取出所需要的信息，并將其用于實際 。,1. 數(shù)字信號處理的任務(wù),用于危重病房（intensive care unit，ICU）的心電自動監(jiān)護儀的作用是監(jiān)護病人的心電狀態(tài)（同時也包括其他生理參數(shù)，如血壓、呼吸等），它應(yīng)能實時地顯示和存儲病人的心電波形，并根據(jù)心電圖的異常來自動決定是否給出報警。一個實際的心電監(jiān)護儀由心電放大器、

10、A/D 轉(zhuǎn)換器、CPU、顯示單元、存儲單元、系統(tǒng)管理軟件和心電信號處理軟件所組成。,心電處理軟件的功能： （1） 在CPU的控制下實現(xiàn)心電信號的采集、顯 示和存儲；,（2）去除噪聲： 在信號采集時，身體的任一微小運動都會產(chǎn)生“基線漂移”，這是一種低頻干擾，同時，由于肌電的存在又產(chǎn)生了高頻的肌電噪聲，由于空間電磁場的存在又使心電信號中混有50Hz的工頻干擾。這些噪聲不去除，就會影響下一步的信號處理。,

11、帶有高頻噪聲及病態(tài)失真的心電信號,（3）波形檢測（參數(shù)提?。?R波檢測：要求>99％； P波檢測，T波檢測：幅度特別低，>90％； P-Q間期測量；S-T段形態(tài)檢測； QRS寬度檢測,（4）病類判別：根據(jù)檢測出的參數(shù)、心臟疾病的原 理和醫(yī)生的臨床經(jīng)驗，建立起各種心律異常的數(shù)學(xué)模型并對心電信號做出判別，決定是否異常，如異常，又屬于哪一類異常。這一工作即是信號處理的應(yīng)用。 以上內(nèi)容雖然屬于

12、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的范疇，但從中可以看出數(shù)字信號處理的內(nèi)容和任務(wù)。其他學(xué)科的信號處理過程和該問題類似，即大體上也包含了去噪、特征檢測（或提?。┖蛻?yīng)用于實際這三個方面。,2. 數(shù)字信號處理的優(yōu)勢:,（1）. 精度高 （2）. 可重復(fù)性強

13、 （3）. 體積小 （4）. 成本低

14、 （5）. 可編程：所以靈活性強 （6）. 實時性(Real-time)強,數(shù)學(xué): 微積分, 線性代數(shù), 概率, 隨機過程, 數(shù)論,

15、 近世代數(shù),現(xiàn)代通信原理、現(xiàn)代控制理論模式識別、最優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識、 振動測試生物醫(yī)學(xué)工程,信號與系統(tǒng), 計算機,,3. 數(shù)字信號處理的理論：,基礎(chǔ),,發(fā)展,1. 信號抽樣與采集理論;2. 信號分析理論: Z變換, 離散傅里葉變換(DFT) Hilbert 變換 離散余弦變換(DCT) 離散小波變換(DWT) 快速算法理論(F

16、FT),3. 離散系統(tǒng)分析; 4. 離散系統(tǒng)設(shè)計(濾波器設(shè)計); 5. 隨機信號統(tǒng)計分析理論; 6. 信號建模(AR, MA,ARMA) ; 7. 特征估計(自相關(guān)函數(shù),功率譜計); 8. 實現(xiàn)(軟件--MATLAB; 硬件-- DSP); 9. 應(yīng)用,（教學(xué), 科研, 開發(fā)的前期）DSP軟件包MATLAB Signal Processing Tool

17、 Box,,4. 數(shù)字信號處理的實現(xiàn),軟件實現(xiàn):,,TI產(chǎn)品系列,,DSP的特點: 時鐘快；硬件乘法器（實現(xiàn)連乘連加）； 哈佛結(jié)構(gòu)；較多的寄存器， 等等,數(shù)字信號處理中最常用的算法是線性卷積和 DFT,其特點是大量的“連乘連加”運算，如：,,5、數(shù)字信號處理的應(yīng)用,DSP的應(yīng)用,耳背式,耳道式,耳內(nèi)式,完全耳內(nèi)式,心電 Holter,6. 關(guān)于數(shù)字信號處理的學(xué)習(xí),作為一門課程，學(xué)好數(shù)字信號處理和學(xué)好其他課程有著共同的要求。下

18、面是幾點特殊的要求： （1）特別要注意加深概念的理解，不要只停留在死記數(shù)學(xué)公式上； （2）通過應(yīng)用來加深理解和記憶； 特別希望大家在學(xué)習(xí)的過程中一定要重視利用MATLAB來完成實際的信號處理任務(wù)。 （3）打好基礎(chǔ)，循序漸進； （4）盡可能多看一些國外的教科書及有關(guān)文獻,[1] S J. Orfanids. Introduction to Signal Processing.

19、 1996; 清華大學(xué)出版社，1999 [2] S K Mitra. Digital Signal Processing: A Computer－ Based Approach . 2001， 清華大學(xué)出版社，2001 [3] Proakis J.G. Introduction to Digital

20、 Signal Processing. 1988,參考書,有關(guān)期刊,I EEE Trans. on Signal Processing;I EEE Trans. on Circuits and Systems;I EEE Trans. on Biomedical Engineering;Proc. of I EEE;Signal Processing;信號處理,衷心希望大家 喜歡 DS