数字信号处理复习大纲.ppt

1,数字信号处理,考试时间：12月28日（17周周三） 上午8：3010：30,2,题型,一、选择题 （20分） 二、填空题 （20分） 三、简答题 （15分） 四、计算题 （45分）,数字信号处理各种域和各种变换关系图,3,4,绪论,1.信号的基本概念模拟信号，离散时间信号，数字信号（自变量连续、离散；幅值连续、离散） 2.信号处理系统模拟系统，离散系统，数字系统 3.数字信号处理的特点精度高、可靠性强、灵活性好、大规模集成 4.模拟信号的数字处理系统 5.数字信号处理的基本内容 6.数字信号处理技术的应用通信工程、语音处理、图像处理、仪器仪表、生物医学等,1、掌握连续信号、模拟信号、离散时间信号、数字信号的特点及相互关系（时间和幅度的连续性考量） 2、数字信号的产生； 3、典型数字信号处理系统的主要构成。 模拟信号数字化处理框图，图中各部分的功能作用。,量化、编码 ,采样 ,模拟信号,离散时间信号,数字信号,7,3.离散时间信号与系统的频域分析（1）序列频谱（DTFT）， DTFT的性质(时移、频移、对称、卷积)（2）系统频域分析-系统频率响应函数 定义，LTI系统输入输出之间的频域关系： 4.离散时间信号与系统的Z域分析(1)Z变换的定义、收敛域、主要性质；逆Z变换及其计算方法。(2)Z变换与序列之间的对应关系(3)差分方程的Z域求解（由差分方程求系统函数）(4)画系统函数零极点分布图；系统因果、稳定性与极点的关系； 系统函数零、极点与频率响应的关系 5.时域采样定理,要点与难点,第一部分 离散时间信号 1、常见典型序列及其运算 如：加、乘、移位、反转、尺度变换、线性卷积、周期序列求周期等 2、采样：目的、过程、频谱、时域采样定理、恢复 3、离散时间傅里叶变换 DTFT的定义、性质 DTFT与Z变换的关系 DTFT存在的条件 4、Z变换 Z变换的定义、零极点、收敛域 逆Z变换（部分分式法、留数法） Z变换的性质,9,1.解析式法,2.图解法(板书),3.对位相乘求和法,离散卷积过程：序列倒置移位相乘取和,4.序列排列法（板书）,线性卷积计算,10,例2 使用对位相乘法求卷积,两序列右对齐 逐个样值对应相乘但不进位 同列乘积值相加（注意n=0的点）,11,右对齐,对应相乘,同列相加,解：,1、DTFT的定义：,正变换：,反变换：,基本性质。,常见变换对；,离散时间信号的频域（频谱）为周期函数；,2、Z 变换表示法： 1) 级数形式（定义） 2) 解析表达式（根据常见公式） （注意:表示收敛域上的函数，同时注明收敛域） 3、Z 变换收敛域的特点： 1) 收敛域是一个圆环，有时可向内收缩到原点，有时可向外扩展到，只有x(n)=(n)的收敛域是整个Z 平面 2) 在收敛域内没有极点，X(z)在收敛域内每一点上都是解析函数。,4、几类序列Z变换的收敛域 (1) 有限长序列:X(z)= x(n)z-n , (n1 n n2) 0 n1 n n2 0 0 0 Rx n1 0, n2= , Rx|z| 展开式出现z的正幂,Z 变换的收敛域包括 点是因果序列的特征。,(3) 左边序列 X(z)= x(n)z-n , (n1 n n2, n1 =-) n1 = -, n2 0, |z| 0, 0 Rx, Rx|z| Rx Rx Rx , 空集,5、部分分式法进行逆Z变换 求极点 将X(z)分解成部分分式形式 通过查表，对每个分式分别进行逆Z变换 注：左边序列、右边序列对应不同收敛域 将部分分式逆Z变换结果相加得到完整的x(n)序列 6、Z变换的性质 移位、反向、乘指数序列、卷积,常用序列z变换（可直接使用）,7、DTFT与Z变换的关系,采样序列在单位圆上的Z变换等于该序列的DTFT 序列频谱存在的条件Z变换的收敛域包含单位圆,1、线性、时不变系统的判定 2、线性卷积计算 3、系统稳定性、因果性的判定 4、线性时不变离散时间系统的表示方法 5、系统分类及两种分类之间的关系,1、线性系统：对于任何线性组合信号的响应等于系统对各个分量的响应的线性组合。,线性系统 判别准则,若,则,2、时不变系统：系统的参数不随时间而变化，不管输入信号作用时间的先后，输出信号的响应的形状均相同，仅是出现时间的不同,若,则,时不变系统 判别准则,3、线性卷积,y(n)的长度LxLh1 两个序列中只要有一个是无限长序列，则卷积之后是无限长序列 卷积是线性运算，长序列可以分成短序列再进行卷积，但必须看清起点在哪里,4、系统的稳定性与因果性,5、差分方程描述系统输入输出之间的运算关系 N阶线性常系数差分方程的一般形式： 其中 ai、bi都是常数。 离散系统差分方程表示法有两个主要用途： 求解系统的瞬态响应； 由差分方程得到系统结构；,6、线性时不变离散时间系统的表示方法 线性常系数差分方程 单位脉冲响应 h(n) 系统函数 H(z) 频率响应 H(ejw) 零极点图（几何方法） 7、系统的分类 IIR和FIR 递归和非递归,25,四种形式傅立叶变换的定义及其特点 周期-离散；非周期-连续 傅立叶级数（DFS）及离散傅立叶变换（DFT）针对周期序列和有限长序列（周期移位及圆周移位，周期卷积及循环卷积） DFT与序列傅立叶变换(DTFT)、序列Z变换的关系 频域采样定理 快速傅立叶变换（FFT）的算法依据和原理 直接计算DFT运算量、DIT-FFT运算量,要点与难点,第一部分 离散时间傅里叶变换 1、DFS的定义、性质 2、DFT的定义、性质,时域/频域同时采样,对有限时宽的信号xa(t)的时域波形和频域波形同时进行取样，其结果是时域波形和频域的都变成了离散的、周期性的波形； 时域内的离散周期信号为 ，频域内离散周期信号为 ，它们之间形成DFS变换对； 分别取它们的一个周期，得到x(n)与X(k)，它们之间形成DFT变换对。,DFS变换对,其中，,DFT变换对,其中，,重新构造两个长度为L的序列x(n)和y(n), 方法：末尾补零 对x(n)和y(n)进行圆周卷积： 首先对两个序列进行周期延拓 对延拓后的周期序列进行周期卷积 对周期卷积的结果取主值区间,使（循环）圆周卷积等于线性卷积而不产生混淆的必要条件是LN+M-1； 步骤如下：,圆 周 卷 积 与 线 性 卷 积 的 性 质 对 比,35,DFT对连续信号的谱分析原理及公式、误差来源及减小误差的措施、参数选择问题 DFT对离散时间序列的频谱分析 DFT对周期信号的频谱分析,连续信号的频谱分析 (利用DFT的选频性) 过程：采样截短DFT 效应：混叠原因：采样、频谱泄漏 泄漏原因：截短 栅栏效应原因：DFT DFT的分辨率,第二部分 快速傅里叶变换 1、按时间抽取的FFT原理、蝶形图、特点 会画4点基2-DIT-FFT蝶形图 2、按频率抽取的FFT原理、蝶形图、特点,(1)数字滤波器频响应能模仿模拟滤波器频响,(2)因果稳定的模拟系统变换为数字系统仍为因果稳定的,S到Z平面的映射关系满足条件,思路：,脉冲响应不变法,脉冲响应不变法的映射关系,S 平面,Z 平面,脉冲响应不变法满足变换的映射条件，但映射关系不是一一对应的。,脉冲响应不变法优点： 时域脉冲响应的模仿性能好 频率坐标的变换是线性的，与是线性关系。 脉冲响应不变法缺点： 有频谱周期延拓效应. 只能用于带限的频响特性，如衰减特性很好的低通或带通；,S1平面,Z平面,S平面,一一对应,双线性变换法,优点：S平面与Z平面是单值的一一对应关系,与成非线性关系,缺点:,不会产生混叠现象；,映射关系,畸变：经双线性变换后，频率发生了非线性变化， 相应地，数字滤波器的幅频特性在临界频率点会发生非线性变化。这种频率点的畸变可以通过预畸来加以校正。 注意：预畸不能在整个频率段消除非线性畸变，只能消除模拟和数字滤波器在特征频率点的畸变。,设计步骤：,三：通过变量代换求H(z),置换过程: ,频响：,要点与难点,1、线性相位：系统的相频特性是频率的线性函数,群时延:,偶对称,奇对称,2、四种线性相位FIR滤波器（P142 表4.1）,四种线性相位FIR DF特性 第一类 ，h(n)偶、N奇，四种滤波器都可设计。,第二类 ， h(n)偶、 N偶，可设计低、带通滤波器 不能设计高通和带阻。 第三类 ， h(n)奇、 N奇，只能设计带通滤波器， 其它滤波器都不能设计。 第四类 ， h(n)奇、 N偶，可设计高通、带通滤波 器，不能设计低通和带阻。,小结,1、相位特性只取决于h(n)的对称性，而与h(n)的值无关。 2、幅度特性取决于h(n)。 3、设计FIR数字滤波器时，在保证h(n)对称的条件下，只要完成幅度特性的逼近即可。 注意：当H()用H()表示时，当H()为奇对称时，其相频特性中还应加一个固定相移,3、线性相位FIR滤波器的零点特性,零点必须是互为倒数的共轭对,要点,1、窗函数设计法步骤； 2 、线性相位理想低通FIR DF 的设计 (会求h(n)； 3 、窗口函数对理想特性的影响； (过渡带, 肩峰, Gibbs效应, 窗函数的要求, 常用窗函数的名称 ),4、窗口法设计原理：,卷积关系,窗口函数对理想特性的影响： 改变了理想频响的边沿特性，形成过渡带，宽为 ，等于WR()的主瓣宽度。（决定于窗长） 过渡带两旁产生肩峰和余振（带内、带外起伏），取决于 WR()的旁瓣，旁瓣多，余振多；旁瓣相对值大，肩峰强 ，与 N无关。（决定于窗口形状） N增加,过渡带宽减小,肩峰值不变。当N增加时，幅值变大，频率轴变密，而最大肩峰永远为8.95%，这种现象称为吉布斯（Gibbs）效应。,窗函数的要求：,窗谱主瓣宽度要窄，以获得较陡的过渡带； 相对于主瓣幅度，旁瓣要尽可能小，使能量尽量集中在主瓣中，这样就 可以减小肩峰和余振，以提高阻带衰减和通带平稳性。 但实际上这两点不能兼得，一般总是通过增加主瓣宽度来换取对旁瓣的抑制。,肩峰值的大小决定了滤波器通带内的平稳程度和阻带内的衰减，所以对滤波器的性能有很大的影响。,4.5 IIR与FIR数字滤器的比较,低,1、IIR数字滤波器：存在反馈环路，递归型结构。 (1) 直接型 (2) 级联型 (3) 并联型,第5章要点,图5.5 IIR数字滤波器的直接I型结构,两条延时链中对应的延时单元内容完全相同,可合并,得,2、FIR数字滤波器：非递归结构，无反馈，但在频率采样结构等某些结构中也包含有反馈的递归部分。 （1）直接型（卷积型、横截型） （2）级联型 （3）线性相位型 （4）频率采样型,已知信号流图： 判断系统类型（IIR系统还是FIR系统）；写出信号流图对应的差分方程或系统函数,71,数字滤波器的设计与实现,数字滤波器的概念及其分类 数字滤波器设计指标 模拟滤波器设计方法（巴特沃斯低通滤波器的设计） 脉冲响应不变法和双线性变换法，设计思想及优缺点 FIR DF特点、线性相位FIR DF时域、频域特性 窗函数法设计FIR DF思想和步骤,已知数字滤波器设计指标，设计巴特沃斯低通滤波器 ，求出数字滤波器的系统函数H（s） 已知滤波器的系统函数H（s），用脉冲响应不变法、双线性变换法转换成数字滤波器。,