DSP-第1章数字信号处理(DSP)

四．数字信号处理的学科概貌
五．DSP的发展历史 DSP的发展历史 六．本课程的安排
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1、学科研究内容
DSP是近几十年发展起来的一门新兴学科。 1. 信号的采集 实现信号的数字化，包括取样、量化。 2. 信号的分析 信号描述与运算，各种变换，时、频域分析。 3. 系统分析 线性系统与非~，时变系统与非~，线性时（移）不 变系统，因果系统与非~，线性时（移）不变因果系统。 4. 快速算法 如：FFT, WFT,快速卷积、相关算法。
–数字信号 数字信号
• 在时间上和幅度上都是离散的信号 • 可由模拟信号经离散和量化得到，亦可客观存在。 可由模拟信号经离散和量化得到，亦可客观存在。 • 本质上，它只是一系列的“数”。 本质上，它只是一系列的“
–两者关系 两者关系
• 模拟经A/D变换得数字； 模拟经A/D变换得数字； A/D变换得数字 • 数字经D/A变换得模拟。 数字经D/A变换得模拟。 D/A变换得模拟
数字信号处理（DSP） 数字信号处理（DSP）
Processing） （Digital Signal Processing）
王 怿
通信软件中心
联系方式： 联系方式： Tel:87544356 Mail:ywang@mail.hust.edu.cn
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第1章 绪 论 章
（Preface） ）
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(a)
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(c)
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(e)
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主要内容： 主要内容：
一．基本概念 二．DSP系统的基本组成 DSP系统的基本组成 1. 优点
DSP和DSP系统的特点 三．DSP和DSP系统的特点
四．数字信号处理的学科概貌 五．DSP的发展历史 DSP的发展历史 六．本课程的安排
–语音分析：语音分解成参数 eg：频谱分析 –语音合成：生成语音 eg：盲人的自动阅读机、语音响应的电脑终端 –语音识别：说话人识别，内容识别 eg：语音拨号 –语音增强：降噪 –语音编码：压缩语音，便于传输和存储 eg：GSM手机中语音压缩至13kbps， 卫星电话更低
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(2)图像：同语音相似
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3、数字信号处理
• 定义： 定义： 利用计算机或专用设备， 利用计算机或专用设备，以数值计算的方法对信号进行采 集、变换、综合、估值、识别等处理，借以达到提取信息 变换、综合、估值、识别等处理， 和便于应用的目的。 和便于应用的目的。 如：滤波：限制频带、滤除噪声 分离：多通道信号、去噪 检测、识别：分析频谱或功率谱，或者其他提取参数 压缩：各种变换 通俗地讲，处理就是加工，因数字信号常表示成序列， 通俗地讲，处理就是加工，因数字信号常表示成序列，加 工实际上就是相加 相加、 工实际上就是相加、相乘和位移 • DSP –狭义：数字信号处理器(Digital Signal Processor)； 狭义： Processor)； 狭义 数字信号处理器(Digital –广义：数字信号处理技术(Digital Signal Processing ) 广义： 广义 数字信号处理技术(Digital
静态图像是二维的，动态为三维 –数据压缩：可视电话/视频聊天;H.264,MPEG4 –图像复原： • 去模糊：相机抖动、散焦；卫星图像/遥感图像 • 超分辨率 –图像增强： • 公安：低质录像或照片 –图像识别 • 目标跟踪： • 保密：指纹识别……
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(3)通信：世界上最大的行业 –调制/解调 –滤波 –数据压缩 –数据保密 –多路传输 –移动通信：2G、3G……
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5. 数字滤波技术 IIR数字滤波器的分析与设计； FIR数字滤波器的分析与设计。 6. 信号的频谱分析与估值 确定信号：谱分析； 随机信号：相关计算、谱估计。 7. 特殊算法 反卷积，信号重构。 8. 数字信号处理的实现 (1)在通用微机上，用软件实现; 如：各种处理软件 优点：很灵活
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本章主要内容： 本章主要内容：
一．基本概念 二．DSP系统的基本组成 DSP系统的基本组成 三．DSP和DSP系统的特点 DSP和DSP系统的特点 四．数字信号处理的学科概貌
DSP的发展历史 五．DSP的发展历史
六．本课程的介绍
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发展历史
1．理论基础(计算数学)： 理论基础(计算数学) 17世纪至18世纪中叶发展起来； DSP独立学科的形成 独立学科的形成： 2．DSP独立学科的形成： 20世纪40～50年代， 迅速发展：20世纪60年代中期； FFT对DSP迅速发展起了极大的推动作用 迅速发展起了极大的推动作用： 3．FFT对DSP迅速发展起了极大的推动作用： 1965年，J.W.Cooley & J.W.Tukey提出快速傅立叶 变换算法，即FFT(Fast Fourier Transform)。这种算 法很快得到了推广应用；
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(4)医疗： 生物医学信号处理，新兴的交叉学科 –脑电图、心电图分析 –红外图像处理 –X射线断层处理 –X射线的空间重建 全身扫描、立体图形
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其他：遍及日常生活及各专业领域 –磁带－>CD->MP3 –手机 –DC、DV –数字电视 –计算机 –VoIP
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4．数字滤波器 (Digital Filter) 设计方法的研 究是DSP迅速发展的另一个标志，20世纪40年代 60年 DSP迅速发展的另一个标志 世纪40年代～ 究是DSP迅速发展的另一个标志，20世纪40年代～60年 代中期，形成了完整的理论基础。 代中期，形成了完整的理论基础。 数字滤波器分为两大类： 有限冲击响应(FIR－Finite Impulse Response)； 无限冲击响应(IIR－Infinite Impulse Response)； 5．计算机技术和专用芯片技术的快速发展促进了D 计算机技术和专用芯片技术的快速发展促进了D SP理论研究和应用的迅速发展 理论研究和应用的迅速发展。 SP理论研究和应用的迅速发展。 DSP芯片代表产品： TI公司的TMS320XXX系列产品。
2. 局限
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1、DSP和DSP系统的优点 DSP和DSP系统的优点
1．精度高； 精度高； 模拟系统： 模拟系统：由元器件确定，精度很难达到10的-3方； 数字系统： 数字系统：由字长确定，比如17比特字长可以使精 度10的－5次方。 所以， 所以，高精度系统只能采用数字系统
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在过去的数十年中，数字信号处理(DSP)领域， 在过去的数十年中，数字信号处理(DSP)领域， (DSP)领域 无论理论上还是技术上都有非常重要的发展。 无论理论上还是技术上都有非常重要的发展。由于工 业上开发和利用廉价的硬件和软件， 业上开发和利用廉价的硬件和软件，不同领域的新工 艺和新应用现在都想利用DSP算法， DSP的研究和应 艺和新应用现在都想利用DSP算法，使DSP的研究和应 DSP算法 用变得越来越重要。 用变得越来越重要。 为什么要上数字信号处理?
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主要内容： 主要内容：
一．基本概念
DSP系统的基本组成 二．DSP系统的基本组成
三．DSP和DSP系统的特点 DSP和DSP系统的特点 四．数字信号处理的学科概貌 五．DSP的发展历史 DSP的发展历史 六．本课程的安排
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DSP系统的基本组成框图
模 拟 信 号
信 22
...
2、数字系统局限性 、
1、数字系统速度还不够高，不能胜任太高频 率系统（需要满足采样定律的要求） 2、设计和结构比较复杂，价格较高。不适于 要求较低的需求 3、数字系统是有源器件构成
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本章主要内容： 本章主要内容：
一．基本概念 二．DSP系统的基本组成 DSP系统的基本组成 三．DSP和DSP系统的特点 DSP和DSP系统的特点 1. 2. 研究内容 应用领域
主要内容： 主要内容：
一．基本概念 二．DSP系统的基本组成 DSP系统的基本组成 三．DSP和DSP系统的特点 DSP和DSP系统的特点 四．数字信号处理的学科概貌 五．DSP的发展历史 DSP的发展历史 六．本课程的安排
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主要内容： 主要内容： 一．基本概念
二．DSP系统的基本组成 DSP系统的基本组成 三．DSP和DSP系统的特点 DSP和DSP系统的特点 四．数字信号处理的学科概貌 五．DSP的发展历史 DSP的发展历史 六．本课程的安排
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容易大规模集成； 4．容易大规模集成； 规范性高，电路参数要求不高，体积小 容易时分复用；（取样后有空隙） ；（取样后有空隙 5．容易时分复用；（取样后有空隙）
输 入
开 关 路 路 多 多
输
开 关
数字信号处理器
出 ...
6．可重复性好，容易获得高性能指标； 可重复性好，容易获得高性能指标； 可进行二维和多维处理。 7．可进行二维和多维处理。 容易实现大容量存储
1.信号 2.信号分类 3.数字信号处理
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1、信号
• 信号 –传输信息的函数，是信息的物理表现形 传输信息的函数， 信息的物理表现形 传输信息的函数 式； • 信息： 信息： –是信号的具体内容；通俗地讲，信息就 是信号的具体内容； 是信号的具体内容 通俗地讲， 是有用的消息。 是有用的消息。 –信息是一个十分抽象而又复杂的概念， 信息是一个十分抽象而又复杂的概念， 信息是一个十分抽象而又复杂的概念 是通信系统中传送的对象， 是通信系统中传送的对象，其特点是无 形的，必须用一定形式的信号来表示。 形的，必须用一定形式的信号来表示。
x a (t )
x (n )
5 3 T 2T
t
7 4 4 -1 n
15
0 1 2 3 4
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-3
各部分作用3 各部分作用3
x (n )
5 4
7 4
数字信号处理器： 3、 数字信号处理器：
3 n -1 0 1 2 3 4 -3 y(n)
x ( n) ⇒ y ( n)
n
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2、信号分类 • 依载体不同： 依载体不同：
–电信号 电信号 –磁信号 磁信号 –振动信号 振动信号 –声信号 声信号 –图像信号 图像信号 – ……
分类标准
声信号
图像信号
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• 依变量个数： 依变量个数：
–一维 一维 –二维 二维 –多维 多维
一维信号 二维信号
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(2)用单片机实现; 如：家用电器的数字显示 特点：价格便宜，运算量不能太大 (3)利用通用DSP芯片； 特点：流水线方式，并行运算，运算很快 (4)利用特殊用途的DSP芯片； 特点：将某些算法硬件化 (5)采用FPGA技术。
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2、应用领域
(1)语音处理：最初的应用，有代表性
模 拟 信 号
数 字 信 号
数 字 信 号
模 拟 信 号
模 拟 信 号
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各部分作用1 各部分作用1
1. 前置预滤波器 滤除高于某一频率的信号，防混迭。 滤除高于某一频率的信号，防混迭。 限幅
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各部分作用2 各部分作用2
A/D变换器 2. A/D变换器 完成抽样和量化，实现数字化。 完成抽样和量化，实现数字化。如下图
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2．可控性好，灵活性好； 可控性好，灵活性好； 数字系统的性能主要由乘法器的系数决定， 系数存于存储器中，容易修改； 改变不同系数就得到不同的系统 3．稳定性好，可靠性高； 稳定性好，可靠性高； 数字系统：只有“0”和“1”两个电平，受温 度噪声影响小。 模拟系统：受温度、振动、电磁……影响
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视频
三维信号
＋时间变
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• 依周期性： 依周期性：
–周期信号 周期信号 –非周期信号 非周期信号
• 依是否为确定函数： 依是否为确定函数：
–确定信号 确定信号 –随机信号 随机信号
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• 依用模拟方法还是用数字方法： –模拟信号 模拟信号
• 是自变量的连续函数。 是自变量的连续函数。 • 自然界大部分信号
0 1 2 3 4
各部分作用4 各部分作用4
y(n)
y(t)
4、D/A变换器： D/A变换器： 变换器
0 12 34 n 0
ya(t)
5、模拟滤波器：
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DSP系统的信号变化
' x a (t )
x a (t )
x (n )
y (n )
y a (t )
0 1 3 5
t
0 1 3 5