數(shù)字信號處理

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

2、，數(shù)字信號處理，北京理工大學(xué)出版社。2. [美]奧本海姆，離散時(shí)間信號處理，科學(xué)出版社。3. 程佩青， 數(shù)字信號處理教程， 清華大學(xué)出版社。,課程主要內(nèi)容：Ch2. 離散時(shí)間信號和系統(tǒng)分析基礎(chǔ)（復(fù)習(xí)）Ch3. 離散傅立葉變換(DFT)Ch4. 快速傅立葉變換(FFT)Ch5. 數(shù)字濾波器(DF),課程主要任務(wù)：1. 掌握數(shù)字信號的表示、變換與濾波器設(shè)計(jì)的理論和方法；2. 掌握數(shù)字信號處理的基本理論和方法；3. 靈活運(yùn)用

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

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

5、新，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。,1.2 信號、系統(tǒng)及數(shù)字信號處理過程,1.2.1 信號－－傳載信息的函數(shù),雷達(dá)發(fā)射信號：,雷達(dá)回波信號：,信號函數(shù)自變量通常取t來表示，當(dāng)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(shù))：,信號的分類：,信號的分類：,信號的分類：,,第二種分法（時(shí)間、幅度）：,模擬信號與連續(xù)時(shí)間信號－x(t),時(shí)間連續(xù)、幅值連續(xù),時(shí)間連續(xù)、幅值可連續(xù)可離散,離散時(shí)間信號與數(shù)字信號－x(n)

6、,離散時(shí)間信號：信號取值僅在離散時(shí)間點(diǎn)上才有定義；數(shù)字信號： 將離散時(shí)間信號在幅度上進(jìn)行量化。,1.2.2 系統(tǒng) 反映信號處理因果關(guān)系的設(shè)備或運(yùn)算,連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)：輸入與輸出都為連續(xù)時(shí)間信號的系統(tǒng)。,離散時(shí)間系統(tǒng)：輸入與輸出都為離散時(shí)間信號的系統(tǒng)。,模擬系統(tǒng)：輸入與輸出都是模擬信號的系統(tǒng)。,數(shù)字系統(tǒng)：輸入與輸出都是數(shù)字信號的系統(tǒng)。,1.2.3 數(shù)字信號處理過程：,DSP是整個(gè)系統(tǒng)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(jì)（第六章）,快速卷積、相關(guān)、內(nèi)插、多抽樣等處理。,D/A輸出,模擬濾波輸出,1.3 數(shù)字信號處理的發(fā)展及優(yōu)點(diǎn),1965年FFT（Fast Fourier Transform）問世，40年來，DSP在理論、實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用三個(gè)方面迅速發(fā)展，成為高技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)重要的學(xué)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(tǒng)分析： 時(shí)域、頻域、復(fù)頻域；,3.信號處理中的快速算法：FFT、快速卷積、相關(guān)；,4.濾波理論與方法：經(jīng)典數(shù)字濾波器、現(xiàn)代濾波器；,理論方面：,5.信號估計(jì)理論：各種估計(jì)方法、相關(guān)、功率譜估計(jì)；,6.信號建模：AR（自回歸）、MA（滑動(dòng)平均）、ARMA；,7.信號處理的特殊算法：抽取、內(nèi)插、解卷積。,實(shí)現(xiàn)方面：,1.在通用機(jī)上通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，速度較慢，多用于方案前期論證、模擬仿真；,2.用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，如80

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

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

11、做不到例如：數(shù)字濾波器比模擬濾波器靈活。,2）靈活性強(qiáng),2）靈活性強(qiáng),2）靈活性強(qiáng),3階巴特沃斯低通濾波器,2）靈活性強(qiáng),2）靈活性強(qiáng),3階巴特沃斯高通濾波器,2）靈活性強(qiáng),2）靈活性強(qiáng),2）靈活性強(qiáng),2）靈活性強(qiáng),FIR數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的線性相位； 數(shù)字信號處理中將信號存儲(chǔ)起來，用延遲的方法實(shí)現(xiàn)非因果系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)； 數(shù)據(jù)壓縮方法大大減少信息傳輸中的信道容量。,3）可實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達(dá)到的指標(biāo)或特性,利用龐

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

13、數(shù)字系統(tǒng)傳輸時(shí)，可以很容易地在數(shù)據(jù)流中插入“冗余碼”進(jìn)行糾錯(cuò)或者加密/解密。,（1）增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性 需要模擬接口以及比較復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。（2）應(yīng)用的頻率范圍受到限制 主要是A/D轉(zhuǎn)換的采樣頻率的限制。,數(shù)字信號處理缺點(diǎn)：,（3）系統(tǒng)的功率消耗比較大 數(shù)字系統(tǒng)中集成了幾十萬甚至更多的晶體管 模擬系統(tǒng)中大量使用的是電阻、電容、電感等無源器件 隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性增加這一矛盾會(huì)更加突出。,數(shù)字信號處理缺點(diǎn)：,數(shù)字信號處理發(fā)展

14、特點(diǎn)：,(1)由簡單的運(yùn)算走向復(fù)雜的運(yùn)算 幾十位乘幾十位的全并行乘法器可以在數(shù)個(gè)納秒的時(shí)間內(nèi)完成一次浮點(diǎn)乘法運(yùn)算； 在運(yùn)算速度上和運(yùn)算精度上為復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法提供了先決條件；,(2)由低頻走向高頻 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的采樣頻率已高達(dá)數(shù)千兆赫； 將視頻甚至更高頻率的信號數(shù)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(dá)石油勘探,數(shù)字信號處理發(fā)展特點(diǎn)：,（4）各種數(shù)字信號處理系統(tǒng)更新?lián)Q代快,圖像處

15、理方面 VCD ? DVD移動(dòng)通信方面 2G ? 3G計(jì)算機(jī)方面 CPU、 內(nèi)存、硬盤,數(shù)字信號處理發(fā)展特點(diǎn)：,年代特點(diǎn) $/MIPS60年代大學(xué)探索 $100-$1,00070年代軍事運(yùn)用 $10-$10080年代商用成功 $1-$1090年代進(jìn)入消費(fèi)類電子 $0.1-$1今后生活用品 $0.01-$0.1,數(shù)字系統(tǒng)性價(jià)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(shù)字信息系統(tǒng),機(jī)械制造 基于 FFT算法的頻譜分析儀用于振動(dòng)分析和機(jī)械故障診斷；醫(yī)學(xué) 數(shù)字信號處理技術(shù)對心電(ECG)和腦電(EEG)等生物電信號作分析和處理；數(shù)字音頻廣播(DAB)，等等。,數(shù)字信號處理新的應(yīng)用領(lǐng)域,數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),軟件實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)（SOC, System on a Chip）,用通用數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)行數(shù)字信號處理程序。 優(yōu)點(diǎn)： 經(jīng)濟(jì)，一機(jī)多用；缺點(diǎn)：處理速度慢 適用場合：非實(shí)

18、時(shí)的應(yīng)用場合,(1) 數(shù)字信號處理的軟件實(shí)現(xiàn),舉 例：目的： 處理一盤混有噪聲的錄像帶；方法：將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存入計(jì)算機(jī)，一幀幀處理這些數(shù)據(jù)，再將處理結(jié)果還原成一盤清晰的錄像帶。結(jié)論：通用計(jì)算機(jī)可完成上述任務(wù)，不必花費(fèi)較大的代價(jià)去設(shè)計(jì)一臺(tái)專用數(shù)字計(jì)算機(jī)。,(1) 數(shù)字信號處理的軟件實(shí)現(xiàn),針對特定的應(yīng)用目標(biāo)，設(shè)計(jì)一專用的軟硬件系統(tǒng)。 優(yōu)點(diǎn)： 容易做到實(shí)時(shí)處理 缺點(diǎn)： 設(shè)備只能專用,,(2)數(shù)字信號處理的硬件實(shí)現(xiàn),