数字信号处理DigitalSignalProcessingDSPppt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,*,数字信号处理,Digital Signal Processing(DSP),教师：张中兆 马永奎,Tel:86413513,Email:,1,参考书,4.离散时间信号处理,美,A.V,奥本海姆,R.W.,谢弗编,科学出版社,2.数字信号处理(丁玉美，高西奎,),西安电子科技大学出版社,3.数字信号处理学习指导系列(海因斯),科学出版社,2,讲授内容,绪论-,DSP,的发展和应用,离散时间信号分析,DFT,快速付里叶变换,FFT,Walsh,变换,IIR DF,的设计(无限长单位脉冲响应数字滤波器的设计),FIR DF,的设计(有限长单位脉冲滤波器的设计),自适应数字滤波器,3,第一章 绪论,为何要上数字信号处理?,在过去的数十年中，数字信号处理(,DSP),的领域，无论在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，使不同领域的新工艺和新应用现在都想利用,DSP,算法。,4,第一节什么是数字信号处理,5,一、数字信号处理(DSP)(Digital Signal Processing),凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所进行的,一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算,。,例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等。,对于,DSP:,狭义理解可为Digital Signal Processor 数字信号处理器。广义理解可为Digital Signal Processing 译为数字信号处理技术。在此我们讨论的DSP的概念是指广义的理解。,6,1.信号(复习),信号是一种物理体现。在信号处理领域中，信号被定义为一个随机变化的物理量。,例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这些真实世界的物理信号-电信号，经处理的电信号-传感器-真实世界的物理信号。,如现实生活中最常见的传感器是话筒、扬声器,话筒(将声压变化)-电压信号-空气压力信号(扬声器),7,2.信号的最基本的参数,频率和幅度,3-30,kHz:Very low frequency VLF(,潜水艇导航),30-300,kHz:Low frequency LF(,潜水艇,通信),3003000,kHz:Medium frequency(,调幅广播),3-30,MHz:High frequency(HF)(,无线电爱好者，国际广播，军事通信 无绳电话，电报，传真),30-300,MHz:Very High frequency(VHF)(,调频FM，VHF电视),0.33,GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF,电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信),频率低20,Hz,范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，能被感觉到。(处于,VLF Very low frequency),频率20,Hz20KHz,称为声波，,Low frequency (,处于,LF),频率20,KHz,称为超声波 ，具有方向性，可以成束(处于,LF),8,3.信号分类,连续信号和离散信号,模拟信号和数字信号,确定性信号和随机信号,9,(1)连续信号和离散信号,连续信号：指随时间信号而连续变化的信号。,离散信号：只有在离散的时间点有确定的值。它通常都是通过对连续信号采样而得到的。,10,(2)模拟信号和数字信号,模拟信号：指幅度连续的信号，通常指,时间和幅度上都是连续的信号。,数字信号：时间和幅度上都是离散的信,号。,x(t),t,x(t,n,),t,n,x(n),n,采样,模数,保持,转换,11,(3)确定性信号和随机信号,确定性信号：它的每一个值可以用有限个参量来唯一地加以描述。,例：直流信号：仅用一个参量可以描述。,阶跃信号：可用幅度和时间两个参量描述。,正弦波信号：可用幅度、频率和相位三个参量,来描述。,随机信号：不能用有限的参量加以描述。也无法对它的未来值确定地参预测。它只能通过统计学的方法来描述(概率密度函数来描述)。,例：许多自然现象所发生的信号、语音信号、图象信号、噪声都是随机信号。它们具有幅度(能量)随机性、或具有发生时间上的随机性或二都兼有之,。,12,4.信号处理,滤波,变换,压缩,估计,识别,13,信号处理的运算,时域/空域运算,频域运算,实时运算,离线运算,14,时域信号运算,基本运算,尺度运算 :增益,放大,衰减,延迟 / 超前,相加,初等运算,积分/ 求和,微分 / 差分,乘法,卷积,相关,15,滤波,滤波器参数,通带,Passband,阻带,Stopband,过渡带,Transition band,截止频率,Cutoff frequency,基本滤波器类型,低通,Lowpass,高通,Highpass,带通,Bandpass,带阻,Bandstop/band eject,16,数学工具,微分方程,Differential Equation,差分方程,Difference Equation,Laplace,变换,Laplace Transform,Z-,变换,z-Transform,Fourier,变换,Fourier Transform,Hilbert ,变换,Hilbert Transform,离散傅立叶变换,Discrete Fourier Transform,Walsh,变换,walsh transform,17,二、数字信号处理的学科概貌,1.数字信号处理开端,在国际上一般把1965年由,Cooley-Turkey,提出快速付里叶变换(,FFT),的问世，作为数字信号处理这一学科的开端。,而它的历史可以追溯到17世纪-18世纪，也即牛顿和高斯的时代。,18,2.数字信号处理领域的理论基础,数字信号处理的基本工具：微积分，概率统计，随机过程，高等代数，数值分析，近代代数，复杂函数。,数字信号处理的理论基础：离散线性变换(,LSI),系统理论，离散付里叶变换(,DFT),。,19,3.“数字信号处理”又成为一些学科的理论基础,在学科发展上，数字信号处理又和最优控制，通信理论，故障诊断等紧紧相连，成为人工智能，模式识别，神经网络，数字通信等新兴学科的理论基础。,20,4.数字信号处理基本学科分支,数字信号滤波,分为经典滤波和现代滤波。经典滤波主要为,FIR,和,IIR,滤波器,数字信号频谱分析,FFT,进行谱分析,统计频谱分析,21,三、数字信号处理系统的基本组成,以下所讨论的是模拟信号的数字信号处理系统.,前置预,滤波器,A/D,变换器,数字信号,处理器,D/A,变换器,后置,滤波器,模拟,X,a,(t),PrF,ADC,DSP,DAC,PoF,模拟,Y,a,(t),22,(1)前置滤波器,将输入信号,x,a,(t),中高于某一频率(称折叠频率，等于抽样频率的一半)的分量加以滤除。,23,(2)A/D变换器,由模拟信号产生一个二进制流。,在,A/D,变换器中每隔,T,秒(抽样周期)取出一次,x,a,(t),的幅度，抽样后的信号称为离散信号。,24,(3)数字信号处理器(DSP),按照预定要求，在处理器中将信号序列,x(n),进行加工处理得到输出信号,y,(n).,25,(4)D/A变换器,由一个进制流产生一个阶梯波形，是形成模拟信号的第一步。,26,(5)后置滤波器,把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。,以滤除掉不需要的高频分量，生成所需的模拟信号,ya(t).,27,第二节数字信号处理的实现,28,数字信号处理实现方法,1.采用大、中小型计算机和微机。,2.用单片机。,3.利用通用,DSP,芯片,4.利用特殊用途的,DSP,芯片,29,1.采用大、中小型计算机和微机,工作站和微机上各厂家的数字信号软件，如有各种图象压缩和解压软件。,用这一方法优点：可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。,30,2.用单片机,由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能很强。,优点：可根据不同环境配不同单片机，其能达实时控制，但数据运算量不能太大。,31,3.利用通用DSP芯片,DSP芯片较之单片机有着更为突出优点。,如内部带有乘法器，累加器，采用流水线工作方式及并行结构，多总线速度快。配有适于信号处理的指令(如FFT指令)等。,目前市场上的DSP芯片有：,美国德州仪器公司(TI):TMS320CX系列 占有90%,还有AT&T公司dsp16,dsp32系列,Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列,AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列,32,4.利用特殊用途的DSP芯片,市场上推出专门用于,FFT,FIR,滤波器，卷积、相关等专用数字芯片。,如：,BB,公司：,DF17XX,系列,MAXIM,公司：,MAXIM27X ,MAXIM28X,National,公司：,National-SEMI,系列：,MF,系列。,其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使用者只需给出输入数据，可在输出端直接得到数据。,33,第三节数字信号处理的特点,与模拟系统(,ASP),相比，数字系统具有如下特点：,精度高,可靠性,灵活性大,易于大规模集成,时分复用,可获得高性能指标,二维与多维处理,34,1.精度高,在模拟系统中，它的精度是由元件决定，模拟元器件的精度很难达到10,-3,以上。而数字系统中，17位字长就可达10,-5,精度，所以在高精度系统中，有时只能采用数字系统。,35,2.可靠性强,数字系统：只有两个信号电平0，1受噪声及环境条件等影响小。,模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受环境条件，如温度、振动、电磁感应等影响，产生杂散效应甚至振荡等,且数字系统采用大规模集成电路，其故障率远远小于采用众多分立元件构成的模拟系统。,36,3.灵活性大,数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且系数存放于系数存储器内，只需改变存储的系数，就可得到不同的系统，比改变模拟系统方便得多。,37,4.易于大规模集成,数字部件：高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，对电路参数要求不严，故产品成品率高。,例：(尤其)在低频信号：如地震波分析，需要过滤几Hz几十Hz的信号，用模拟系统处理其电感器、电容器的数值，体积，重量非常大，且性能亦不能达到要求，而数字信号处理系统在这个频率处却非常优越(显示出体积，重量和性能的优点)。,38,5.时分复用,利用DSP同时处理几个通道的信号。,某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙时间，因而在同步器的控制下，在此时间空隙中送入其他路的信号，而各路信号则利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信号后，再算另一路信号，因而处理器运算速度越高，能处理的信道数目也就越多。,多路器,DSP,分,路,器,同步,1,2,3,n,1,2,3,n,39,6.可获得高性能指标,例：对信号进行频谱分析,模拟频谱仪在频率低端只能分析到10,Hz,以上频率，且难于做到高分辨率(也即足够窄的带宽)。,但在数字的谱分析中，已能做到10,-3,Hz,的谱分析。,又例：有限长冲激响应数字滤波器，则可实现准确的线性相位特性，这在模拟系统中是很难达到的。,40,7.二维与多维处理,利用庞大的存储单元，可以存储一帧或数帧图象信号，实现二维甚至多维信号包括二维或多维滤波，二维及多维谱分析等。,41,8.局限性,数字系统的速度还不算高，因而不能处理很高频率的信号。(因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理),另外，数字系统的设计和结构复杂，价格较高，对一些要求不高的应用来说，还不宜使用。,42,第四节数字信号处理的应用领域,自20世纪60年代以来，数字信号处理的应用已成为一种明显的趋势，这与它突出优点分不开的。,数字信号处理大致可分为：,信号分析,信号滤波,43,一、信号分析,任务：涉及信号特性的测量。它通常是一个频域的运算。,主要应用于：,谱(频率和/或相位)分析,语音分析,说话人识别,目标检测,44,二、信号滤波,任务：是信号入-信号出的情况。实现这个任务的系统被称为滤波器。它通常(但不总是)作时域运算。,主要应用于：,滤除不需要的背景噪声，去除干扰,频带分割， 信号谱的成形,所以它广泛地应用于数字通信，雷达，遥感，声纳，语音合成，图象处理，测量与控制，高清晰度电视，多媒体物理学，生物医学，机器人等。,45,三、DSP的典型应用,1.网络,2.无线通信,3.家电,4.另外还有虚拟现实，噪声对消技术，电机控制，图像处理等等,可以说DSP是现代信息产业的重要基石，它在网络时代的地位与CPU在PC时代的地位是一样的。,46,四、举例1.语音处理,它是最早采用数字信号处理技术的领域之一。,本世纪50年代提出语音形成数字模型，经过十多年对语音的分析、综合、证明是正确的。,在语音领域现存在着三种系统：,语音分析系统,：,(自动语音识别系统，它能识别语音，辨认说话的人是谁，而且破译后，能立即作出决断。,语音综合系统,：,盲人的自动阅读机，声音响应的计算机终端，会说话玩具，家用电器(,CD,VCD,DVD),。,语音分析综合系统,：,语音存储和检索系统。,即广泛应用于电话窃听。即应用于语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人确认、语音邮件、语音存储等。,47,2.图像处理,数字信号处理技术成功应用的图像处理方法有：,数据压缩,图像复原,清晰化与增强,由于单个数字图像以1兆个采样值的量级表示，所以要求高性能的处理机、高密度的数据存储器。即要求高速度硬件。,48,3.雷达,在军事上，雷达、计算机、射击武器等组成一个自动控制系统。,当目标进入雷达的作用半径以内并被雷达自动跟踪时，雷达就测量出目标的当前位置(距离、方位角和高低角)，并把数据送入计算机，推算出目标的航向，航速，引导导弹或自动火炮去击中目标(爱国者导弹对飞毛腿导弹)。雷达系统是应用高性能数字信号处理技术的一个例子。,雷达系统主要信号处理功能包括：,信号产生、匹配滤波、门限比较、目标参数(如射程、方位和速度)估计。,49,4.通信,整个通信领域几乎没有不受数字信号处理技术影响的地方。,数字技术已用于信号的调制、解调、滤波、混频、检波和多路传输等问题中。,语音数据压缩与解压是数字信号处理的重要内容。,在电信领域，数字处理技术已发展到音调检测，回波清除、数字开关网和自适应均衡、数据加密、数据压缩、可视电话等。许多音频通信的信号处理功能，已由单块集成电路实现。,50,5.电话、电报,下面介绍它们在通讯中的应用大家知道，脉冲编码调制通讯（简称,PCM,）,的主要优点是抗干扰性强。但是，要对语音信号进行脉冲编码传输，起码要有64千比特/秒。为了提高信道的利用率，必须压缩语音数码率。语音压缩编码的方法很多，如自适应差分脉调制（,ADPCM,），32,千比特/秒的数码率达到了长途电话的质量标准，且复杂程度较低，1988年被,CCITT,（,国际电报电话咨询委员会）建议为长途传输中的一种新型国际通用语音编码方法。,51,6.扩频通信,与数据压缩相反的数据扩张，也是很有用的技术。它的根据是仙农编码定理：在一定的条件下，只要码的长度充分大时，一定存在一种编码、译码方法，使错误译码率充分小。近年来，在国防上实现发射功率隐蔽与抗电子干扰，采用了数据扩张技术，用300千比特/秒的数码率传送64千比特/秒的语音，可以使敌方对此信号难以侦察或干扰。,52,7.移动通信,现代通信系统是信息时代的生命线。最近几年，电信业在我国发展很快，安装电话的用户与日俱增，移动通信已开始全国联网。现在，世界性的全球通讯网连接着6亿个以上的电话，还提供大量的用户电报以及数据通信业务。到本世纪末，通讯将超过能源、汽车、钢铁、交通和农业，成为世界上最大的行业。,53,8.其他,生物医学信号处理,CT / CAT,CT,：,计算机,X,射线断层摄影装置。其中头颅,CT,英国,EMI,公司豪斯菲尔德获诺贝尔奖。,CAT:,计算机,X,射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建。,嵌入式电子系统,54,蜂窝电话无线通信,DSP,系统,Nasser Kehtarnavaz, and Mansour Keramat,DSP System Design: Using the TMS320C6000, Prentice Hall, 2001.,55,ADSL,有线通信,DSP,系统,Nasser Kehtarnavaz, and Mansour Keramat,DSP System Design: Using the TMS320C6000, Prentice Hall, 2001.,56,硬盘驱动,DSP,系统,Nasser Kehtarnavaz, and Mansour Keramat,DSP System Design: Using the TMS320C6000, Prentice Hall, 2001,.,57,电机控制,DSP,系统,Nasser Kehtarnavaz, and Mansour Keramat,DSP System Design: Using the TMS320C6000, Prentice Hall, 2001.,58,五、DSP技术的发展趋势1,DSP技术的发展趋势，可用四个字“多快好省”来概括。,1.多。可从广度和深度看，广度是指DSP的型号越来越多。如TMS320C2x（控制）/5x（低功耗）/6x（高性能处理）.从深度讲是多CPU的糅合，一种多DSP的糅合，一种DSP的核和其他事务性处理的核的糅合在一起。,2.快，即运算的速度越来越快，指令速度越来越快，频率越来越高，功能越来越强。,59,五、DSP技术的发展趋势2,3.好。主要是指性能价格比。,性价比符合摩尔定律：每隔18个月，芯片的速度提高一倍，价格是原来的一半。这是由于半导体工艺的发展，使得成本降低引起的。,4.省。功耗越来越低。,正是由于DSP多快好省的发展，DSP的应用范围越来越宽。,60,作业,写一篇综述文章，主要方面为DSP的技术、发展趋势、或在某一方面的研究，或是了解某一领域用DSP的的前景等。,要求按论文写作要求。有题目、作者、摘要、关键字、参考文献及外文摘要。,上交时间为二个星期之后的今日。,61,小结,1.什么是数字信号处理,2.数字信号处理的学科分支,3.数字信号处理的基本组成,4.数字信号处理的实现方法,5.数字信号处理的特点,6.数字信号处理的应用领域,7.数字信号处理的发展趋势,62,离散时间的信号与系统,63,离散时间信号: 序列,连续时间信号,: x,C,(t),离散时间信号在数学上是表示成数值的序列,一个数的序列,x,可以记作,x = xn,其中,xn,是序列中第,n,个数，,n,为整数,.,离散时间信号和连续时间信号之间的关系可以表示为,xn = x,C,(nT),T,称为采样周期,它的倒数1/,T,称为采样频率,.,64,连续时间的语音信号和它的样本序列,65,离散时间信号的图解表示,66,基本序列,单位样本序列,:,d,n = 0, n,不等于 0,= 1, n = 0.,单位阶跃序列,: un= 1, n and = 0,= 0, n 0,or un=,S d,k, k = -infinity, n,or un=,S d,n-k, k = 0, infinity.,指数序列,: xn= K,a,n,.,如果,K,和,a,为实数,则这个序列为实序列,.,67,正弦序列,:xn= K,cos,w,0,n +,f, all n,= K,cos,(,w,0,+ 2,p,r)n +,f,其中,K,和,f,为实常数,; n,和,r,为整数.,w,0,和,f,为相应复正弦的频率和相位,.,因此,-,p,w,0, and =,p,or 0 and =,w,0, and = 0,= 0,n 0,or xn= K,a,n,un.,71,连续时间和离散时间信号周期性间的区别,在连续时间的情况下，一个正弦信号和一个复指数信号都是周期的，它们的周期等于,2,p,除以频率。,.,在离散情况下，一个周期序列是周期的，当,xn=xn + N,对所有,n,其中周期,N,必须为一个整数,.,对于离散正弦序列来说,A,cos,w,0,n +,f, = A,cos,w,0,n +,w,0,N +,f,其中,w,0,N = 2,p,k , k,为整数.,72,离散时间系统,在数学上，离散时间系统可以定义为一种变换或算子，它把值为,xn,输入序列映射为值为,yn,的输出序列.,yn=Txn,系统的分类可以通过加在变换,T.,的性质上的限制来定义,.,73,一些简单而有用系统的举例,理想延迟系统,:yn= xn n,d,滑动平均系统,: yn= (,S,xn k)/(M,1,+M,2,+1),无记忆系统:,yn= (xn),2, n,d,= 0,累加器系统:,yn=,S,xk , k = -infinity,n,压缩器系统:,yn= xMn , M = + integer,前向差分系统:,yn= xn + 1 xn,后向差分系统,: yn= xn xn 1,74,离散时间系统 2,无记忆系统,:,如果在每一个,n,值上的输出,yn,只决定于,n,值的输入,xn，,那么就说该系统是无记忆的.,线性系统: 它由叠加原理来定义:,Tax,1,n + bx,2,n=aTx,1,n + bTx,2,n,可加性:,Tx,1,n+x,2,n = Tx,1,n + Tx,2,n,齐次 (比例,),性:,Tkxn = kTxn,非线性系统:,yn=ln(|xn|),75,离散时间系统 2-续,时不变系统,:,输入序列的移位或延迟将引起输出序列相应的移位或延迟,.,等价于移位不变系统.,因果系统: 对每一个选取的,n,0,输出序列在,n = n,0,的值仅仅取决于,n and = n,0,的值.,稳定系统: 当且仅当一个有界的输入序列产生一个有界的输出序列时，称该系统是稳定的,.,76,线性时不变系统,yn=T,S,xk,d,n-k,由叠加原理,yn=,S,xkT,d,n-k=,S,xkh,k,n,从线性角度来说, h,k,n,将同时依赖,n,和,k.,但是应用时不变性质, h,k,n,将只依赖于,n.,这样,h,k,n=hn=T,d,n,andhn k=T,d,n k,So,yn=,S,xkhn-k,77,这个公式就是通常所说的卷积和,并用下面的符号表示,yn=xn*hn,这就是一个线性时不变系统，它完全可以用冲激响应,hn,来完全表征,.,78,用傅立叶变换表示序列,正向或对称傅立叶变换, X(e,j,w,),具有周期性，且周期为,2,p,.,它也可以称为离散傅立叶变换,(DTFT).,反向或分析傅立叶变换,79,X(e,j,w,),可以以多种形式表示,.,直角坐标形式:,X,R,(e,j,w,) + j X,I,(e,j,w,),极坐标形式:|,X(e,j,w,)|e,jARGX(ej,w,),X(e,j,w,),可以称作傅立叶谱或简单地称为谱,.,80,傅立叶变换的对称性质,它的对称性质在简化问题的解上往往很有帮助,.,一个共扼对称序列,x,e,n,定义为,x,e,n = x,e,*-n,的序列.,一个共扼反对称序列,x,o,n,定义为,x,o,n = -x,o,*-n,的序列.,任何序列,xn = x,e,n + x,o,n,其中,x,e,n = (xn + x,*,-n)/2 = x,e,*,-n,x,o,n = (xn - x,*,-n)/2 = -x,o,*,-n,一个共扼对称的实序列称为偶序列,x,e,n = x,e,-n,一个共扼反对称的实序列称为奇序列,x,o,n = -x,o,-n.,81,82,傅立叶变换定理,傅立叶变换的线性,axn + bynaX(e,j,w,) + bY(e,j,w,),时移和频移,xn n,d, e,j,w,n,d,X(e,j,w,),e,j,w0,n,xn X(e,j(,w-w0),),时间倒置,x-nX(e,-j,w,),频域微分,nxnjdX(e,j,w,)/d,w,83,Parsevals,定理, |,X(e,j,w,)|,2,称为能量密度谱.,卷积定理,xn*ynX(e,j,w,)Y(e,j,w,),调制或加窗定理,xnyn,84,傅立叶变换,序列 傅立叶变换,85,