《数字信号处理》第9章--信号的抽取与插值—多抽课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,NCEPUBD,第八章,多采样率信号处理,信号的抽取与插值,数字信号处理第9章-信号的抽取与插值多抽课件,主要内容,引言,信号的抽取,信号的插值,抽取与插值相结合的抽样率转换,信号的多相表示,几个重要的恒等关系,抽取和插值的滤波器实现,抽取与插值的编程实现,学习要求：掌握数字域升、降采样的基本原理，升、降采样过程中滤波器的设计、特性和作用，以及插值和抽取前后信号频谱变化。,主要内容引言学习要求：掌握数字域升、降采样的基本原理，升、降,8.,1 引 言,研究背景,研究目的,研究内容,8.1 引 言研究背景,8.,1 引 言,8.,1.1 研究背景,至今，我们讨论的数字系统中只有一个抽样率。,但是，在实际应用中，各系统之间的采样率往往是不同的,8.1 引 言8.1.1 研究背景,8.,1 引 言,8.,1.2 研究目的,要求一个数字系统能工作在“多抽样率（,multirate,）”状态，以适应不同抽样信号的需要。,对一个数字信号，能在一个系统中以不同的抽样频率出现。,8.1 引 言8.1.2 研究目的,8.,1 引 言,8.,1.2 研究目的,应用举例：,既可传输一般的语音信号，也可传输播视频信号的数字传输系统；,在音频世界，存在着多种抽样频率；,当需要将数字信号在两个具有独立时钟的数字系统之间传递时；,对信号（如语音，图象）作谱分析或编码时；,对一个信号抽样时，若抽样率过高，必然会造成数据的冗余；,8.1 引 言8.1.2 研究目的,8.,1 引 言,8.,1.3 研究内容,核心内容:,信号抽样率的转换及滤波器组。,信号的“抽取(decimatiom) ” ：,减少,抽样率以去掉过多数据,信号的“插值(interpolation) ” :,增加,抽样率以增加数据,滤波器组:,分析,滤波器组和,综合,滤波器组,8.1 引 言8.1.3 研究内容,8.,2 信号的抽取,抽取对信号频谱的影响,先滤波再抽取,8.2 信号的抽取抽取对信号频谱的影响,设 ，将,x,(,n,)中每,M,个点中抽取一个，,依次组成一个新的序列,y,(,n,)，即,8.,2.1,抽取对信号频谱的影响,n,=-,+,设,8.,2.1,抽取对信号频谱的影响,y,(,n,)和,x,(,n,),的DTFT有如下关系：,含意：将信号,x,(,n,)作,M,倍的抽取后，所得信号,y,(,n,)的频谱等于原信号,x,(,n,)的频谱先作,M,倍的扩展，再在,轴上每隔 作移位后再迭加,。,8.2.1 抽取对信号频谱的影响y(n)和x(n)的DT,P412 图9.1.2,P412 图9.1.2,8.,2.1,抽取对信号频谱的影响,抽样,保证,不会发生频谱的混迭,M,倍抽取,不会发生频谱的混迭,保证,若,M,是可变的，为防止抽取后在 出现混迭，应对x(n)抽取前先作,低通滤波,，压缩其频带。,8.2.1 抽取对信号频谱的影响抽样 保证 不会发生频谱,8.,2.2 先滤波再抽取,h,(,n,)为一理想低通滤波器:,滤波后的输出为,对,v,(,n,)抽取后的序列为,y,(,n,) :,时域,8.2.2 先滤波再抽取 h(n)为一理想低通滤波器: 滤波,8.,2.2 先滤波再抽取,8.2.2 先滤波再抽取,在(-/M/M)内, 抽取后信号的频谱与原信号频谱只是幅度相差M倍。,8.,2.2 先滤波再抽取,频域,在(-/M/M)内, 抽取后信号的频谱与原信号频谱只是,8.,3 信号的插值,插值的概念,插零后的信号及其频谱,先插值再滤波,8.3 信号的插值插值的概念,8.,3.1 插值的概念,设 ，将,x,(,n,)中每两个点之中补,L-1个0，组成一个新的序列,v,(,n,)，即,8.3.1 插值的概念 设,8.,3.2 插零后的信号及其频谱,即,插零后信号的频谱,V,(,e,j,)在(-/L/L)内等于,X,(,e,j,),相当于将,X,(,e,j,)作了周期压缩。换句话说，就是,V,(,e,j,),在(-)内包含了L个,X,(,ej,),的压缩样本。,8.3.2 插零后的信号及其频谱即插零后信号的频谱V(ej,8.,3.2 插零后的信号及其频谱,8.3.2 插零后的信号及其频谱,实际实现插值的方法是用,v,(,n,)和一低通滤波器作卷积 。,8.,3.3 先插值再滤波,所以应取,c,=,L,以保证,y,(,n,)=,x,(,n,/,L,),频域,实际实现插值的方法是用v(n)和一低通,8.,3.3 先插值再滤波,即,时域,插值时补进来的零，不再是零。,8.3.3 先插值再滤波 即时域插值时补进来的零，不再是零,8.,4 抽取与插值相结合的抽样率转换,合理的方法是先对信号作插值，然后再抽取,使用2个低通滤波器,使用1个低通滤波器,该滤波器既去除了插值后的映像又防止了抽取后的混迭,8.4 抽取与插值相结合的抽样率转换 合理的方法是先对信号作,8.,4.1,时域上,x,(,n,)和,y,(,n,)的关系,记,y(n)正是单独抽取和单独插值时时域关系的结合,则,Mn,对模,L,求余,取整,因为,h,(,n,)是因果滤波器，所以,8.4.1 时域上x(n)和y(n)的关系 记y(n)正是单,8.,4.1,时域上,x,(,n,)和,y,(,n,)的关系,y,(,n,)可以看作是将,x,(,n,)通过一个,时变滤波器,所得到的输出。记该时变系统的单位抽样响应为,所以,g,(,n,m,)是变量,m,的周期函数，周期为,L,。,因为,8.4.1 时域上x(n)和y(n)的关系,8.,4.2,频域上,x,(,n,)和,y,(,n,)的关系,8.4.2 频域上x(n)和y(n)的关系,8.,5 信号的多相表示,意义：,使用多相表示可在抽样率转换的过程中去掉许多不必要的计算，因而大大提高运算速度。,8.5 信号的多相表示 意义：,8.,5 信号的多相表示,给定序列,h,(,n,)，令 ，假定M=4,8.5 信号的多相表示 给定序列h(n)，令,给定序列,h,(,n,)，令 ，有,8.,5 信号的多相表示,记,则,若再记,则,类,型,-I,多,相,表,示,给定序列h(n)，令 ，,8.,5 信号的多相表示,用,M,-1-,l,代替类型I中的,l,，则有,式中,类,型,II,多,相,表,示,8.5 信号的多相表示用M-1-l代替类型I中的l，则有,8.,5 信号的多相表示,用-,l,代替类型I中的,l,，则有,类,型,III,多,相,表,示,显然,8.5 信号的多相表示用-l代替类型I中的l，则有 类显然,8.,6 几个重要的恒等关系,两个信号分别定标以后再相加后的抽取等于它们各自抽取后再定标和相加。,8.6 几个重要的恒等关系两个信号分别定标以后再相加后的抽,8.,6 几个重要的恒等关系,信号延迟M个样本后作M倍抽取和先抽取再延迟一个样本是等效的,8.6 几个重要的恒等关系 信号延迟M个样本后作M倍抽取和,8.,6 几个重要的恒等关系,在M倍抽取器的前后，滤波器z的幂相差M倍,8.6 几个重要的恒等关系在M倍抽取器的前后，滤波器z的幂,8.,6 几个重要的恒等关系,8.6 几个重要的恒等关系,8.,7 抽取和插值的滤波器实现,抽取的滤波器实现,插值的滤波器实现,抽取和插值相结合的滤波器实现,8.7 抽取和插值的滤波器实现 抽取的滤波器实现,8.,7.1 抽取的滤波器实现,一般框图,先卷积后抽取,先抽取后卷积,8.7.1 抽取的滤波器实现一般框图 先卷积后抽取 先抽取后,8.,7.1 抽取的滤波器实现,将,滤,波,器,系,数,分,组,来,实,现,信,号,的,抽,取,8.7.1 抽取的滤波器实现将,8.,7.1 抽取的滤波器实现,可以用多相结构来实现信号的抽取:,抽取多相滤波器,8.7.1 抽取的滤波器实现可以用多相结构来实现信号的抽取:,8.,7.1 抽取的滤波器实现,抽取的多相结构实现,8.7.1 抽取的滤波器实现抽取的多相结构实现,8.,7.2 插值的滤波器实现,一般框图,插值多相滤波器,8.7.2 插值的滤波器实现一般框图 插值多相滤波器,8.,7.2 插值的滤波器实现,直接多相实现,高效多相实现,8.7.2 插值的滤波器实现直接多相实现 高效多相实现,8.,7.3 抽取和插值相结合的滤波器实现,一般框图,直接多相实现,高效多相实现,8.7.3 抽取和插值相结合的滤波器实现一般框图 直接多相实,8.,8 抽取与插值的编程实现,插值多相滤波器,抽取多相滤波器,定义,时变滤波器,8.8 抽取与插值的编程实现 插值多相滤波器抽取多相滤波器,所以,g,(,n,m,)是变量,n,的周期函数，周期为L。,8.,8 抽取与插值的编程实现,所以g(n,m)是变量n的周期函数，周期为L。 8.8 抽,8.,8 抽取与插值的编程实现,重写抽取和插值相结合的多抽样率转换系统的输入输出关系:,该式有利于在计算机上编程以实现信号的抽取与插值。,8.8 抽取与插值的编程实现 重写抽取和插值相结合的多抽样,8.,8 抽取与插值的编程实现,步骤1：对给定的,M,和,L,，设计一低通滤波器,h,(,n,)，使其逼近理想低通滤波器,步骤2：将长度为,N,的,h,(,n,)分成,L,个子滤波器，,每段长,K,=,N,/,L,，即,步骤3：将,x,(,n,)按,x,(,Mn,/,L,)来转换，,n,变化时，,只有当,Mn,/,L,为整数时才变化。,8.8 抽取与插值的编程实现 步骤1：对给定的M和L，设计,MATLAB中的interp，interp1，decimate，resample及教材所附的子程序DECINT均可用来实现信号的抽取、插值或二者的结合。,8.,8 抽取与插值的编程实现,MATLAB中的interp，interp1,