數位訊號處理 第1章 數位訊號處理緒論

大綱 1.1 數位訊號處理簡述 1.2 數位訊號處理類型與應用 1.3 總結與參考文獻 1.1.1 訊號與訊號處理 1.1.2 類比訊號處理 1.1 數位訊號處理簡述 1.1.1　訊號與訊號處理 1.1.2　類比訊號處理 1.1.3　數位訊號處理 1.1.4　類比與數位訊號處理之比較 1.2 數位訊號處理類型與應用 1.2.1　數位訊號處理類型 1.2.2 數位訊號處理應用 1.3 總結與參考文獻

訊號與訊號處理 訊號 (signal)是一個描述各種物理量或變數的函數，通常訊號函數含有某些物理現象的資訊。 現實生活中，我們身邊圍繞著各式各樣的訊號，其中有些訊號是自然產生的，但大部份訊號是人為產生的。 有些訊號是必須(我們想要)的，例如語音、音樂、影像、文字等等訊號。 有些訊號是非必須(我們不要)的，例如雜訊或干擾訊號。 在工程範疇裏，不同訊號帶著有用與不要的訊息，因此如何從這混雜訊號中取出或強化有用的訊息乃為最簡單的一種訊號處理技術。

訊號分類(1) 連續時間訊號(continuous-time signal)：訊號在每個時間點均存在並不中斷。連續時間訊號以函數x(t)表示之，其中t是連續時間變數。 離散時間訊號(discrete-time signal) ：離散時間訊號只定義在離散的時間點上，一般以離散時間變數n的序列(sequence) x[n]表示之，其中變數n為整數。 x[n] x(t) (b) 2008年台南的月平均溫度

訊號分類(2) 類比訊號(analog signal) ：訊號之振幅大小(強度)用任意區間[a, b]之連續數值描述之連續值訊號(continuous-valued signal)，其中a和b可以分別為和 。 數位訊號(digital signal) ：訊號之振幅大小用離散(或有限個數)數值描述之離散值訊號(discrete-valued signal) 。 離散時間數位訊號 連續時間數位訊號

類比訊號處理 一般實際環境裡最常碰到的是類比訊號，通常這些類比訊號的振幅隨時間連續地變動(時間與振幅都是連續值)，此類比訊號可由主動和被動元件所組成的電路系統加以處理，且其處理後之輸出也是類比型式之訊號，這種輸入與輸出訊號皆為類比型式之處理程序稱為類比訊號處理 (analog signal processing , ASP) 。 類比訊號處理器 類比訊號 類比訊號

(DSPs、ASICs、FPGAs、軟體程式) 數位訊號處理 相對應於類比訊號處理，輸入與輸出訊號皆為數位型式之處理程序稱為數位訊號處理(digital signal processing , DSP) 。 數位訊號處理程序一般以演算法方式呈現，其複雜運算常需要特殊計算機或數位訊號處理器(digital signal processors, DSPs)來執行。 目前許多特定功能之DSP演算法是以特殊應用積體電路 (application-specific integrated circuits, ASICs) 或可程式化閘陣列 (field-programmable gate arrays, FPGAs)來實現。 特殊應用積體電路 (application-specific integrated circuits, ASICs)來實現，可以量產且低價。 可程式化閘陣列 (field-programmable gate arrays, FPGAs)來實現，較具彈性。 數位訊號處理器 (DSPs、ASICs、FPGAs、軟體程式) 數位訊號 數位訊號

類比訊號處理之等效數位訊號處理 以數位訊號處理技術處理輸入與輸出訊號皆為類比型式之方式 。 類比訊號處理器 類比訊號 類比訊號 前置濾波器(prefilter)或抗疊化濾波器(antialiasing filter)，其作用為限制輸入類比訊號在限定頻寬內，避免訊號取樣時產生膺頻 (aliasing)現象。 A/D轉換器 (類比/數位轉換器)，進行取樣與量化將類比訊號轉成一串二進位資料(數位訊號xq[n])。 數位訊號處理器：DSP的心臟部份，可為一計算機、特殊功功能的微處理器或數位硬體線路。 D/A轉換器： A/D轉換器之相反程序，將一串二進位資料轉換成一階梯狀之波形，是將數位訊號還原為類比訊號的第一步。 後級濾波器(postfilter) ：可將梯狀之波形平滑化為類比訊號。 類比訊號處理器 類比訊號 類比訊號 數位訊號 數位訊號 數位訊號 處理器 前置 濾波器 A/D 轉換器 D/A 轉換器 後級 濾波器 y (t) ya (t) xa(t) x(t) xq[n] yq[n]

A/D轉換器處理類比訊號(數位化)的例子 x(t) t x[n] n 一個數位化的例子，其中圖(a)為一連續時間類比訊號，經過取樣(取樣頻率1Hz，每秒取樣1次)得到離散時間類比訊號，如圖(b)所示。為方便說明，取樣訊號數值表示到小數第2位(實際上應是實數，即應該表示到小數無窮多位)，接著將取樣訊號實數值對應到3個位元(8個準位)，我們便可得到離散時間數位訊號。本例子的量化轉換對應如下一頁之圖或表所示。在此可視「量化」為一種將連續數值(continuous-valued)轉換成有限個數(可數)之數值表示法的程序。 n

量化轉換(輸入與輸出對應)示意圖 量化轉換(輸入與輸出對應)示意圖

D/A轉換器與後級濾波器 數位資料 D/A轉換器 連續時間資料 後級濾波器 類比輸出訊號

數位訊號處理與類比訊號處理之比較 比較DSP與ASP兩種訊號處理程序，很顯然地DSP比ASP要來得複雜，那「為什麼要以數位的方式處理訊號呢？」 ASP主要受限於不易處理複雜的訊號處理應用，也就是說以ASP方式設計訊號處理系統較不具彈性也較複雜，因此成本較高。 DSP的主要優點： 以DSP方式設計訊號處理系統，可在一般電腦平台上發展軟體，因此開發過程或測試階段皆比較便利，且所發展之軟體具可攜帶性。 DSP程序只使用加法與乘法，穩定性高，而ASP系統元件易受溫度變化影響。 容易以程式改變DSP運作程序。 VLSI技術快速發展，使得記憶體、邏輯閘和微處理器等元件愈來愈便宜，因此DSP系統也較便宜。

大綱 1.1 數位訊號處理簡述 1.2 數位訊號處理類型與應用 1.3 總結與參考文獻 1.1.1 訊號與訊號處理 1.1.2 類比訊號處理 1.1 數位訊號處理簡述 1.1.1　訊號與訊號處理 1.1.2　類比訊號處理 1.1.3　數位訊號處理 1.1.4　類比與數位訊號處理之比較 1.2 數位訊號處理類型與應用 1.2.1　數位訊號處理類型 1.2.2 數位訊號處理應用 1.3 總結與參考文獻

數位訊號處理分類 大部份的DSP程序可劃分為訊號分析(signal analysis)和訊號濾波(signal filtering)兩類型。 量測結果 輸入 數位訊號處理 輸出

數位訊號處理相關領域(1) Audio and speech signal processing Image and video processing Sonar and radar signal processing Sensor array processing Spectral estimation Statistical signal processing Signal processing for communications Biomedical signal processing Digital control

數位訊號處理相關領域(2) 基礎領域(課程) DSP相關進階領域(課程) 數學 Mathematics 訊號與系統 Signals and Systems 電路系統 Circuit Systems 基礎領域(課程) DSP實習 DSP 數位影像處理Digital Image Processing 視訊工程Video Engineering 數位影像處理Digital Image Processing 語音訊號處理Speech Signal Processing 頻譜估測Spectrum Estimation DSP相關進階領域(課程) 進階DSP Advanced DSP 無線通訊系統 Wireless Communication Systems

數位訊號處理相關領域(3) 音訊處理(Sound processing ) 影像處理(Image Processing) 展縮器(Compressor and Expander) 等化器(Equalizers and filters) 雜音消除(Noise reduction system) 延遲、反射(Delay and reverberation) 回音消除(Echo cancellation) 語音編碼/壓縮(Speech coding/compression) 音樂編碼/壓縮(Music coding/compression ) 電子音樂合成(Electronic music synthesis) 特效(Special effect) 影像處理(Image Processing) 影像編碼/壓縮(Image coding/compression) 影像加強(Image enhancement) 特徵萃取(Feature extraction) 影像分割(Image segmentation)

數位訊號處理相關領域(4) 通訊(Communications) 生醫訊號處理(Biomedical signal processing) 數位通訊(Digital communications) 電話撥號(Telephone dialing) 數位電視(Digital TV) 等化器與濾波器(Equalizers and filters) 軟體無線電系統(Software defined radio, SDR) 適應性DSP (Adaptive DSP) 通道估計(Channel estimation ) 生醫訊號處理(Biomedical signal processing) 心電圖、腦波圖雜訊消除(Noise reduction for EEG/ECG signal) 心電圖、腦波訊號存取(EEG/ECG signal recording) 生醫影像回復(Biomedical Image retrieval) 生醫學影像分割(Biomedical Image segmentation)

DSP訊號分析與其應用 訊號分析：主要工作為處理訊號特性的量測，通常在頻域上進行。 主要應用： 頻譜(頻率/相位)分析。 語音辨識。 說話者(身份)辨認。 目標檢測。

DSP訊號濾波與其應用 訊號濾波：以訊號輸出入特性來描述，一系統執行此項工作一般稱為濾波器，通常(非絕對)在時域上進行訊號分析。 主要應用： 消除不要的背景雜訊 消除干擾 區分頻帶 改善訊號頻譜形狀

DSP在產業之整合應用(1) 數位AV音響：DTS、Dolby AC-3、Pro Logic、MPEG2 數位通訊：無線網路，行動電話。 高階伺服控制：機械人，光碟機，硬碟(低階伺服控制我們使用微控制器) 電力電子：馬達控制、變頻器、UPS。 訊號處理：噪音消除、資料擷取系統。 資料處理：資料壓縮、資料加密解密。 影像處理：車牌辨識、指紋辨識、臉型辨識。 繪圖處理：電腦繪圖動畫、CAD/CAM。 語音處理：語音辨識、語音壓縮。 汽車工業：引擎點火控制、ABS、主動懸吊系統、噪音消除。

DSP在產業之整合應用(2) 智慧型生活集DSP應用之大成之示意圖。 數位內容 數位控制 數位資料 數位通訊與網路 行車影音 資訊 行動應用 學習/資訊 環保節能 防災 家庭控制 保全 行車影音 資訊 遠距照護 醫療 行動應用 生活及 娛樂中心 智慧型 社區 數位通訊與網路 數位控制 數位內容 虛擬 辦公室 數位資料

DSP在產業之整合應用(3) 我們的生活中DSP之應用已無所不在。 伺服器 通訊 資料 數位內容 地面無線通訊 寬頻存取 光纖 電信網路 衛星通訊 CP CP 數位內容 CP 地面無線通訊 CP 多媒體中心 寬頻存取 電信網路 光纖 多媒體顯示器 伺服器 通訊 控制平台 CP 路由器 控制 CP 資料 CP CP CP CP

大綱 1.1 數位訊號處理簡述 1.2 數位訊號處理類型與應用 1.3 總結與參考文獻 1.1.1 訊號與訊號處理 1.1.2 類比訊號處理 1.1 數位訊號處理簡述 1.1.1　訊號與訊號處理 1.1.2　類比訊號處理 1.1.3　數位訊號處理 1.1.4　類比與數位訊號處理之比較 1.2 數位訊號處理類型與應用 1.2.1　數位訊號處理類型 1.2.2 數位訊號處理應用 1.3 總結與參考文獻

總結 隨著VLSI技術發展，促使低價位軟硬體的發展與應用之進展一日千里，數位信號處理 (digital signal processing, DSP) 無論在理論或技術層面都日顯重要，今日在各種領域發展新技術或應用時常會考量利用優勢之DSP演算法，因此電機/電子工程師必須具備DSP基礎。 本章簡述類比與數位訊號、類比與數位處理方式以及數位訊號處理之類型與應用範疇 。 25

參考文獻 V. K. Ingle and J. G. Proakis, Digital Signal Processing using MATLAB, Thomson Learning Inc., 2007. John G. Proakis and Dimitris K Manolakis, Digital Signal Processing: Principles, Algorithms, and Applications, 4/e, Pearson, 2007. S. K. Mitra, Digital Signal Processing: A Computer-Based Approach, 2/e, McGraw Hill, 2002. 余兆棠、陳順智 譯，數位信號處理-使用MATLAB，滄海，2000年12月。 陳后金 編著， 數位信號處理，新文京，2005年6月 。 董紹平、王洋、陳世耕 編著，數位訊號處理基礎，儒林，1993年1月。 具再熙 編著，數位訊號處理基礎_使用MATLAB ，儒林，2007年3月二版。 26