数字信号处理课件_chap1_PPT幻灯片
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数字信号处理基础-ppt课件信号分析与处理
3.a digital signal is said to lie in the time domain, its spectrum,which describes in frequency content,lies in the frequency domain.
4.filtering modified the spectrum of a signal by eliminating one or more frequency elements from it.
5.digital signal processing has many applications, including speech recognition,music and voice synthesis,image processing,cellular phones,modems,and audio and video compression.
2020/4/13
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第2章 模数转换和数模转换
2.1 简单的DSP系统(A Simple DSP System) 2.2 采样(Sampling) 2.3 量化(Quantization) 2.4 模数转换(Analog-to-Digital Conversion) 2.5 数模转换(Digital-to-Analog Conversion) 小结 (Chapter Summary)
2020/4/13
1.5 语音、音乐、图像及其他 1.5 SPEECH,MUSIC,IMAGES,AND MORE
DSP在许多领域都有惊人的应用，并且应用的数量与日俱增。
1）利用数字语音信号(speech signals)中的信息可以识别连续语 音中的大量词汇。
2）DSP在音乐和其他声音处理方面有着重要的作用。
4.filtering modified the spectrum of a signal by eliminating one or more frequency elements from it.
5.digital signal processing has many applications, including speech recognition,music and voice synthesis,image processing,cellular phones,modems,and audio and video compression.
2020/4/13
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第2章 模数转换和数模转换
2.1 简单的DSP系统(A Simple DSP System) 2.2 采样(Sampling) 2.3 量化(Quantization) 2.4 模数转换(Analog-to-Digital Conversion) 2.5 数模转换(Digital-to-Analog Conversion) 小结 (Chapter Summary)
2020/4/13
1.5 语音、音乐、图像及其他 1.5 SPEECH,MUSIC,IMAGES,AND MORE
DSP在许多领域都有惊人的应用，并且应用的数量与日俱增。
1）利用数字语音信号(speech signals)中的信息可以识别连续语 音中的大量词汇。
2）DSP在音乐和其他声音处理方面有着重要的作用。
数字信号处理课件--数字信号处理(1)
CT s (CT x) jy
(CT x)2 y2 。 (CT x)2 y2
所以对于 S 平面上左半平面的点 x 0 ，映射为 Z 平面上单位圆内 1的点；右半平面的点 x 0 ，映射为 Z 平面上单位圆外 1 的点。
而 S 平面虚轴 x 0 ，映射为 Z 平面上单位圆上 1 的点。
， 其中； si 为
使用变换关系式得：
N
Ai
H (z) H (s) | s s | a
1 T ssi 1esiT z1
i1
1 T i ssi 1esiT z 1
T
N i 1
1
Ai e siT
z 1
ROC :| z || esiT |
由变换关系式得到的数字系统是否为因果、稳定系统？需要讨论 Z 域 和 S 域的映射关系。
的周期化，所以在设计模拟滤波器时应该使得 s 2（s 为数字系
统的采样角频率）的幅度频率特性足够小，以满足混叠误差要求。
2021/5/27
数字信号处理
8
例：已知数字系统采样频率为 500Hz。要求所设计的低通数字滤波器的 3dB 截止 频率为 50Hz。求一个二阶数字低通滤波器的实现方案。
解：[1] 根据题义，数字滤波器设计指标为：截止频率 50Hz；阶数 k=2；采样
换
s
CT
1 1
z 1 z 1
得数字滤波器系统函数
H (z) 。这样两次变换畸变抵消，可以保证数字滤波器在指定的特征频率
所以，用冲击响应不变法所得到的数字滤波器也是因果稳定的。
2021/5/27
数字信号处理
6
6.5.4 冲击响应不变法设计步骤
1、按照给定的数字滤波器的设计指标，利用模拟滤波器设计技术设
(CT x)2 y2 。 (CT x)2 y2
所以对于 S 平面上左半平面的点 x 0 ，映射为 Z 平面上单位圆内 1的点；右半平面的点 x 0 ，映射为 Z 平面上单位圆外 1 的点。
而 S 平面虚轴 x 0 ，映射为 Z 平面上单位圆上 1 的点。
， 其中； si 为
使用变换关系式得：
N
Ai
H (z) H (s) | s s | a
1 T ssi 1esiT z1
i1
1 T i ssi 1esiT z 1
T
N i 1
1
Ai e siT
z 1
ROC :| z || esiT |
由变换关系式得到的数字系统是否为因果、稳定系统？需要讨论 Z 域 和 S 域的映射关系。
的周期化，所以在设计模拟滤波器时应该使得 s 2（s 为数字系
统的采样角频率）的幅度频率特性足够小，以满足混叠误差要求。
2021/5/27
数字信号处理
8
例：已知数字系统采样频率为 500Hz。要求所设计的低通数字滤波器的 3dB 截止 频率为 50Hz。求一个二阶数字低通滤波器的实现方案。
解：[1] 根据题义，数字滤波器设计指标为：截止频率 50Hz；阶数 k=2；采样
换
s
CT
1 1
z 1 z 1
得数字滤波器系统函数
H (z) 。这样两次变换畸变抵消，可以保证数字滤波器在指定的特征频率
所以，用冲击响应不变法所得到的数字滤波器也是因果稳定的。
2021/5/27
数字信号处理
6
6.5.4 冲击响应不变法设计步骤
1、按照给定的数字滤波器的设计指标，利用模拟滤波器设计技术设
《数字信号处理原理》PPT课件
•Digital signal and image filtering
•Cochlear implants
•Seismic analysis
•Antilock brakes
•Text recognition
•Signal and image compression
•Speech recognition
•Encryption
•Satellite image analysis
•Motor control
•Digital mapping
•Remote medical monitoring
•Cellular telephones
•Smart appliances
•Digital cameras
•Home security
Upper Saddle River, New Jersey 07458
All rights reserved.
FIGURE 1-4 Four frames from high-speed video sequence. “ Vision Research, Inc., Wayne, NJ., USA.
Joyce Van de Vegte Fundamentals of Digital Signal Processing
ppt课件
11
Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc.
Upper Saddle River, New Jersey 07458
All rights reserved.
Joyce Van de Vegte Fundamentals of Digital Signal Processing
《数字信号处理基础》课件
信号压缩等。
Z变换
Z变换的定义
Z变换是一种将离散时间信号转换为复数域信号的方法，通过将离 散时间信号转换为复数域中的函数，可以更好地分析信号的特性。
Z变换的性质
Z变换具有线性、时移、频域平移、复共轭等性质，这些性质在信 号处理中有着广泛的应用。
Z变换的应用
Z变换在信号处理中有着广泛的应用，如离散控制系统分析、数字滤 波器设计等。
自适应滤波器应用场景
广泛应用于噪声消除、回声消除、信 号预测等领域。
05 数字信号处理应用
音频处理
音频压缩
通过降低音频数据的冗余度，实 现音频文件的压缩，便于存储和
传输。
音频增强
利用数字信号处理技术，改善音频 质量，如降低噪音、增强语音等。
音频分析
对音频信号进行特征提取和分类， 用于语音识别、音乐信息检索等领 域。
IIR滤波器应用场景
广泛应用于语音处理、图像处理等领 域。
FIR滤波器设计
FIR滤波器定义
FIR滤波器特点
FIR滤波器，即有限冲激响应滤波器，是一 种离散时间滤波器，其冲激响应有限长。
FIR滤波器具有线性相位、设计灵活、计算 量大等特性。
FIR滤波器设计方法
FIR滤波器应用场景
通过窗函数法、频率采样法等进行设计， 常用的设计方法有汉明窗法、凯泽窗法等 。
课程目标
掌握数字信号处理的基本概念、原理和方法。
学会使用数字信号处理软件进行信号处理和分析 。
了解数字信号处理在通信、图像处理、音频处理 等领域的应用。
02 基础知识
信号与系统
信号定义与分类
信号是信息传输的载体，可以是离散 的或连续的，也可以是时间的函数。 信号分类包括周期信号、非周期信号 、确定信号、随机信号等。
《数字信号处理》课件
05
数字信号处理中的窗函 数
窗函数概述
窗函数定义
窗函数是一种在一定时间 范围内取值的函数，其取 值范围通常在0到1之间。
窗函数作用
在数字信号处理中，窗函 数常被用于截取信号的某 一部分，以便于分析信号 的局部特性。
窗函数特点
窗函数具有紧支撑性，即 其取值范围有限，且在时 间轴上覆盖整个分析区间 。
离散信号与系统
离散信号的定义与表示
离散信号是时间或空间上取值离散的信号，通常用序列表示。
离散系统的定义与分类
离散系统是指系统中的状态变量或输出变量在离散时间点上变化的 系统，分类包括线性时不变系统和线性时变系统等。
离散系统的描述方法
离散系统可以用差分方程、状态方程、传递函数等数学模型进行描 述。
Z变换与离散时间傅里叶变换（DTFT）
1 2 3
Z变换的定义与性质
Z变换是离散信号的一种数学处理方法，通过对 序列进行数学变换，可以分析信号的频域特性。
DTFT的定义与性质
DTFT是离散时间信号的频域表示，通过DTFT可 以分析信号的频域特性，了解信号在不同频率下 的表现。
Z变换与DTFT的关系
Z变换和DTFT在某些情况下可以相互转换，它们 在分析离散信号的频域特性方面具有重要作用。
窗函数的类型与性质
矩形窗
矩形窗在时间轴上均匀取值，频域表现为 sinc函数。
汉宁窗
汉宁窗在时间轴上呈锯齿波形状，频域表现 为双曲线函数。
高斯窗
高斯窗在时间轴上呈高斯分布，频域表现为 高斯函数。
海明窗
海明窗在时间轴上呈三角波形状，频域表现 为三角函数。
窗函数在数字信号处理中的应用
信号截断
通过使用窗函数对信号进行截 断，可以分析信号的局部特性
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课程内容
本课程是“现代信号与信息处理” 学科 的一门重要的技术基础课。主要讨论数字信 号处理的基本原理、方法和实现，内容包括： 离散时间信号和系统的基本理论和基本分析 方法，离散傅里叶变换及其快速算法，IIR 和FIR数字滤波器的设计，以及数字滤波器 实现中的有限字长效应问题。
参考用书
参考用书
• 徐天成，谷亚林，钱铃 . 信号与系统. 2005, 哈工大出版社 • 王世一 . 数字信号处理（修订版）. 1997, 北京理工大学出版社
2. 硬件实现
硬件实现是针对特定的应用目标，经优化、设计专用的 软硬件系统。其优点是容易做到实时处理，缺点是设备只能 专用。
在硬件实现中，为使性价比达到最大，采用并行、复用、 和流水的概念。 • 并行：是指为了完成同一个任务，几个处理器同时工作，使系
统能胜任单个处理器所不能完成的任务；
• 复用：当一个处理器完成单个任务(比如一个滤波器)有很大的
3. 由一维走向多维。
高分辨率彩色电视、雷达、石油勘探等多维信号处理的应用 领域已与数字信号处理结下了不解之缘。
应用领域
通信，音响，语音，图像，雷达， 声纳和地球物理 ---- (1978, A.V Oppenheim)
• 在图像处理方面
图像数据压缩是多媒体通信、影碟机(VCD或DVD)和高清 晰度电视(HDTV)的关键技术。国际上先后制定的标准H.261 、JPEG、MPEG—1和MPEG—2中均使用了离散余弦变换 (DCT)算法。近年来发展起来的小波(Wavelet)变换也是一种 具有高压缩比和快速运算特点的崭新压缩技术，应用前景十 分广阔，可望成为新一代压缩技术的标准。
随着大规模集成电路的发展，一个复杂数字信号处理系统已
可以集成在一个芯片上（片上系统）。
SOC包含有数字和模拟电路、模拟和数字转换电路、微处理 器、微控制器以及数字信号处理器等。与传统的集成电路不同 的是，嵌入式软件的设计也被集成到了SOC的设计流程中， SOC的设计方法将以组装为基础，采用自上至下的设计方法， 在设计过程中大量重复使用自行设计或其他第三方拥有知识产 权的IP(Intelligent Property)模块。SOC要充分考虑如何合 理划分软件和硬件所实现的系统功能以及如何实现软、硬件之 间的信息传递。SOC将是数字信号处理系统的一个新型的实现 方。
六.研究内容 七.课程介绍
二.数字信号处理的主要优点
数字信号处理采用数字系统完成信号处理的任务
，它具有数字系统的一些共同优点，例如抗干扰、可 靠性强，便于大规模集成等。除此而外，与传统的模
拟信号处理方法相比较，它还具有以下一些明显的优 点：
1. 精度高
在模拟系统的电路中，元器件精度要达到１０－３ 以上已经不容易了，而数字系统17位字长可以达到１ ０－５的精度，这是很平常的。例如，基于离散傅里叶 变换的数字式频谱分析仪，其幅值精度和频率分辨率均 远远高于模拟频谱分析仪。
参阅：Page 4~5 表1
四.各种数字信息系统
游戏机
数字多媒 体设备
网络终端
生物感应器
信息通讯
手机
设备
路由器
工业仪器
电子词典
医疗器械
五.数字信号处理系统的实现
1.软件实现
2.硬件实现
3.片上系统（SOC, System on a Chip） 1. 软件实现
软件实现是用一台通用的数字计算机运行数字信号处理程序。 其优点是经济，一机可以多用；缺点是处理速度慢。在许多非实 时的应用场合，可以采用软件实现方法。 例如，处理一盘混有噪声的录像(音)带，我们可以将图像(声 音) 信号转换成数字信号并存入计算机，用较长的时间一帧帧地处理 这些数据。处理完毕后，再实时地将处理结果还原成一盘清晰的 录像(音)带。通用计算机即可完成上述任务，而不必花费较大的 代价去设计一台专用数字计算机。
非因果系统，从而提高了系统的性能指标； • 数据压缩方法可以大大地减少信息传输中的信道容量。
数字信号处理的主要优点
4.可以实现多维信号处理
利用庞大的存储单元，可以存储二维的图像信号或多维 的阵列信号，实现二维或多维的滤波及谱分析等。
5.缺点
（1）增加了系统的复杂性：需要模拟接口及复杂的数字系统
（2）应用的频范围受到限制：主要是A/D转换的采样频率的限 制（3）系统的功耗较大：系统中集成了几十万甚至更多的晶体 管，而模拟信号处理系统中大量使用的是电阻、电容、电感等 无源器件，随着系统的复杂性增加这一矛盾会更加突出。
富余量时，可让其完成多个任务，这就是复用；
• 流水结构也是多处理器完成同一任务，它与并行结构的主要区
别在于并行的各个处理器之间数据交换不多，而流水结构类似 于生产中的流水线，数据经一道道“工序”处理。采用并行或 流水结构，完全取决于数字信号处理的运算结构。
3.片上系统
(SOC,System on a Chip）
Application----image enhancement
Original
Enhanced
发展实例
• 机械制造
基于FFT算法的频谱分析仪用于振动分析和机械故障诊断；
• 其他领域
• 医学中使用数字信号处理技术对心电(ECG)和脑电(EEG) 等生物电信号作分析和处理； • 数字音频广播(DAB)广泛地使用了数字信号处理技术。 • 可以说，数字信号处理技术已在信息处理领域引起了广泛 的关注和高度的重视。
• A.V奥本海姆，R.W.谢弗著，刘树棠，黄健国译. 离散时间信号处理. 2001，西安交通大学出版社
• K.I.Vinay, G.P.John著，陈怀琛，王朝英等译 数字信号处理及其Matlab实现. 1998， 电子工业出版社
第1讲：离散时间系统 处理概论
绪论
一.从模拟到数字 二.数字信号处理的主要优点 三.发展特点 四.各种数字信息系统 五.数字信号处理系统的实现
数字信号处理的主要优点
2.灵活性强
数字信号处理采用了专用或通用的数字系统，其性能 取决于运算程序和乘法器的各系数，这些均存储在数字系 统中，只要改变运算程序或系数，即可改变系统的特性参 数，比改变模拟系统方便得多。
3.可以实现模拟系统很难达到的指标或特性
例如： • 有限长单位脉冲响应数字滤波器可以实现严格的线性相位； • 在数字信号处理中可以将信号存储起来，用延迟的方法实现
三.发展特点
1.由简单的运算走向复杂的运算。
目前几十位乘几十位的全并行乘法器可以在数十纳秒的时 间内完成一次浮点乘法运算，这无论在运算速度上和运算精 度上均为复杂的数字信号处理算法提供了先决条件；
2. 由低频走向高频
模数转换器的采样频率已高达数百兆赫，可以将视频甚至 更高频率的信号数字化后送入计算机处理；
本课程是“现代信号与信息处理” 学科 的一门重要的技术基础课。主要讨论数字信 号处理的基本原理、方法和实现，内容包括： 离散时间信号和系统的基本理论和基本分析 方法，离散傅里叶变换及其快速算法，IIR 和FIR数字滤波器的设计，以及数字滤波器 实现中的有限字长效应问题。
参考用书
参考用书
• 徐天成，谷亚林，钱铃 . 信号与系统. 2005, 哈工大出版社 • 王世一 . 数字信号处理（修订版）. 1997, 北京理工大学出版社
2. 硬件实现
硬件实现是针对特定的应用目标，经优化、设计专用的 软硬件系统。其优点是容易做到实时处理，缺点是设备只能 专用。
在硬件实现中，为使性价比达到最大，采用并行、复用、 和流水的概念。 • 并行：是指为了完成同一个任务，几个处理器同时工作，使系
统能胜任单个处理器所不能完成的任务；
• 复用：当一个处理器完成单个任务(比如一个滤波器)有很大的
3. 由一维走向多维。
高分辨率彩色电视、雷达、石油勘探等多维信号处理的应用 领域已与数字信号处理结下了不解之缘。
应用领域
通信，音响，语音，图像，雷达， 声纳和地球物理 ---- (1978, A.V Oppenheim)
• 在图像处理方面
图像数据压缩是多媒体通信、影碟机(VCD或DVD)和高清 晰度电视(HDTV)的关键技术。国际上先后制定的标准H.261 、JPEG、MPEG—1和MPEG—2中均使用了离散余弦变换 (DCT)算法。近年来发展起来的小波(Wavelet)变换也是一种 具有高压缩比和快速运算特点的崭新压缩技术，应用前景十 分广阔，可望成为新一代压缩技术的标准。
随着大规模集成电路的发展，一个复杂数字信号处理系统已
可以集成在一个芯片上（片上系统）。
SOC包含有数字和模拟电路、模拟和数字转换电路、微处理 器、微控制器以及数字信号处理器等。与传统的集成电路不同 的是，嵌入式软件的设计也被集成到了SOC的设计流程中， SOC的设计方法将以组装为基础，采用自上至下的设计方法， 在设计过程中大量重复使用自行设计或其他第三方拥有知识产 权的IP(Intelligent Property)模块。SOC要充分考虑如何合 理划分软件和硬件所实现的系统功能以及如何实现软、硬件之 间的信息传递。SOC将是数字信号处理系统的一个新型的实现 方。
六.研究内容 七.课程介绍
二.数字信号处理的主要优点
数字信号处理采用数字系统完成信号处理的任务
，它具有数字系统的一些共同优点，例如抗干扰、可 靠性强，便于大规模集成等。除此而外，与传统的模
拟信号处理方法相比较，它还具有以下一些明显的优 点：
1. 精度高
在模拟系统的电路中，元器件精度要达到１０－３ 以上已经不容易了，而数字系统17位字长可以达到１ ０－５的精度，这是很平常的。例如，基于离散傅里叶 变换的数字式频谱分析仪，其幅值精度和频率分辨率均 远远高于模拟频谱分析仪。
参阅：Page 4~5 表1
四.各种数字信息系统
游戏机
数字多媒 体设备
网络终端
生物感应器
信息通讯
手机
设备
路由器
工业仪器
电子词典
医疗器械
五.数字信号处理系统的实现
1.软件实现
2.硬件实现
3.片上系统（SOC, System on a Chip） 1. 软件实现
软件实现是用一台通用的数字计算机运行数字信号处理程序。 其优点是经济，一机可以多用；缺点是处理速度慢。在许多非实 时的应用场合，可以采用软件实现方法。 例如，处理一盘混有噪声的录像(音)带，我们可以将图像(声 音) 信号转换成数字信号并存入计算机，用较长的时间一帧帧地处理 这些数据。处理完毕后，再实时地将处理结果还原成一盘清晰的 录像(音)带。通用计算机即可完成上述任务，而不必花费较大的 代价去设计一台专用数字计算机。
非因果系统，从而提高了系统的性能指标； • 数据压缩方法可以大大地减少信息传输中的信道容量。
数字信号处理的主要优点
4.可以实现多维信号处理
利用庞大的存储单元，可以存储二维的图像信号或多维 的阵列信号，实现二维或多维的滤波及谱分析等。
5.缺点
（1）增加了系统的复杂性：需要模拟接口及复杂的数字系统
（2）应用的频范围受到限制：主要是A/D转换的采样频率的限 制（3）系统的功耗较大：系统中集成了几十万甚至更多的晶体 管，而模拟信号处理系统中大量使用的是电阻、电容、电感等 无源器件，随着系统的复杂性增加这一矛盾会更加突出。
富余量时，可让其完成多个任务，这就是复用；
• 流水结构也是多处理器完成同一任务，它与并行结构的主要区
别在于并行的各个处理器之间数据交换不多，而流水结构类似 于生产中的流水线，数据经一道道“工序”处理。采用并行或 流水结构，完全取决于数字信号处理的运算结构。
3.片上系统
(SOC,System on a Chip）
Application----image enhancement
Original
Enhanced
发展实例
• 机械制造
基于FFT算法的频谱分析仪用于振动分析和机械故障诊断；
• 其他领域
• 医学中使用数字信号处理技术对心电(ECG)和脑电(EEG) 等生物电信号作分析和处理； • 数字音频广播(DAB)广泛地使用了数字信号处理技术。 • 可以说，数字信号处理技术已在信息处理领域引起了广泛 的关注和高度的重视。
• A.V奥本海姆，R.W.谢弗著，刘树棠，黄健国译. 离散时间信号处理. 2001，西安交通大学出版社
• K.I.Vinay, G.P.John著，陈怀琛，王朝英等译 数字信号处理及其Matlab实现. 1998， 电子工业出版社
第1讲：离散时间系统 处理概论
绪论
一.从模拟到数字 二.数字信号处理的主要优点 三.发展特点 四.各种数字信息系统 五.数字信号处理系统的实现
数字信号处理的主要优点
2.灵活性强
数字信号处理采用了专用或通用的数字系统，其性能 取决于运算程序和乘法器的各系数，这些均存储在数字系 统中，只要改变运算程序或系数，即可改变系统的特性参 数，比改变模拟系统方便得多。
3.可以实现模拟系统很难达到的指标或特性
例如： • 有限长单位脉冲响应数字滤波器可以实现严格的线性相位； • 在数字信号处理中可以将信号存储起来，用延迟的方法实现
三.发展特点
1.由简单的运算走向复杂的运算。
目前几十位乘几十位的全并行乘法器可以在数十纳秒的时 间内完成一次浮点乘法运算，这无论在运算速度上和运算精 度上均为复杂的数字信号处理算法提供了先决条件；
2. 由低频走向高频
模数转换器的采样频率已高达数百兆赫，可以将视频甚至 更高频率的信号数字化后送入计算机处理；