数 字 信 号 处 理 讲授人：孙秋菊.

Presentation on theme: "数 字 信 号 处 理 讲授人：孙秋菊."— Presentation transcript:

1 数 字 信 号 处 理 讲授人：孙秋菊

2 数字信号处理课程基本信息 （一）课程名称：数字信号处理 （二）学时学分：周4学时，4学分
（三）预修课程：信号与系统，复变函数与几分变换，数理方法、电路分析等 （四）使用教材：吴镇扬主编：《数字信号处理》，高等教育出版社，2004年7月 （五）教学参考书

3 丁玉美.高西全主编：《数字信号处理》（第2版），西安电子科技大学出版社，2000年10月
程佩青主编：《数字信号处理教程》，清华大学出版社，1994年10月 程佩青编《数字信号处理教程》（第二版），清华大学出版社，2001年 李勇 徐震等编著《MATLAB辅助现代工程数字信号处理》，西安电子科技大学出版社，2002年 王世一编. 数字信号处理（修订版），北京理工大学出版社，1997年

4 （六）教学方法: 课堂讲授，启发式教学，课内实验，课程设计
（七）教学手段：多媒体教学与传统讲授相结合 （八）考核方式：闭卷考试 （九）学生创新精神与实践能力的培养方法：通过传统教学与多媒体教学相结合的办法，提高学生的学习兴趣，另外通过课堂实例演示与课下实验课程相结合，提高学生对本课程的认识和实践能力，课程结束后，通过综合课程设计，培养学生的创新精神。

5 （十）其它要求：严格考勤，注重学生课堂表现及课堂参与情况，课下作业，课程设计，实验报告等考核成绩占期末总成绩的30%。

6 绪 论 教学时数：1学时 教学目的和要求：了解本课程的研究对象及学科概况；了解数字信号处理系统的组成及实现方法；了解数字信号处理的特点；了解数字信号处理的应用和发展方向。 教学重点：数字信号处理的基本概念、特点和研究对象 教学难点：数字信号处理的基本概念、特点

7 一、信号、系统和信号处理 1、信号 信号是信息的物理表现形式，或者说是传递信息的函数，而信息则是信号的具体内容。
例如，交通红绿灯是信号，它传递的信息是：红—停止，绿—通行。 根据载体的不同，信号可以是电的、磁的、声的、光的、机械的、热的等各种信号。

8 同一种信号，例如电信号，又可以从不同角度进行分类.
（1）一维信号、二维信号、多维信号 （2）周期信号、非周期信号 （3）确定信号、随机信号 （4）能量信号、功率信号 （5）连续时间信号、离散时间信号、数字信号：连续时间信号、模拟信号、离散时间信号、数字信号

9 2、系统 定义：系统定义为处理(或变换)信号的物理设备。或者进一步说，凡是能将信号加以变换以达到人们要求的各种设备都称为系统。当然，系统有大小之分，一个大系统中又可细分为若干个小系统。实际上，因为系统是完成某种运算(操作)的，因而我们还可把软件编程也看成一种系统的实现方法。

10 分类（处理的信号种类的不同） （1）模拟系统:处理模拟信号，系统输人、输出均为连续时间连续幅度的模拟信号.
（2）连续时间系统:处理连续时间信号，系统输人、输出均为连续时间信号。 （3）离散时间系统:处理离散时间信号—序列，系统输人、输出均为离散时间信号。 （4）数字系统:处理数字信号，系统输人、输出均为数字信号。 系统可以是线性的或非线性的、时(移)不变或时(移)变的。

11 3.信号处理 信号处理是研究用系统对含有信息的信号进行处理(变换)，以获得人们所希望的信号，从而达到提取信息、便于利用的一门学科。信号处理的内容包括滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等一系列的加工处理。

12 二、数字信号处理系统 的基本组成 １、系统基本组成 数字信号处理系统 A / D 变换器 通用或专用 计算机 采样 保持器 D/ A
模拟低通 滤波器 模拟信号 数字信号 数字信号处理系统 连续时间信号

13 2、模拟信号的数字化 模拟信号的数字化 数字信号 数码 量化电平 模拟信号 采样保持信号

14 3、数字信号的模拟化 数字信号转化成模拟信号 数字信号 数码 量化电平 D/A输出信号 模拟信号

15 模拟滤波输出 D/A输出

16 三、数字信号处理的学科概貌 数字信号处理学科包含有: (1)离散时间线性时不变系统分析。
(2)离散时间信号时域及频域分析、离散傅里叶变换(DFT)理论. (3)信号的采集，包括A/D、D/A技术，抽样，多率抽样，量化噪声理论等。 (4)数字滤波技术。 (5)谱分析与快速傅里叶变换(FFT)，快速卷积与相关算法。 (6)自适应信号处理。 (7)估计理论，包括功率谱估计及相关函数估计等。

17 (8)信号的压缩，包括语音信号与图像信号的压缩。
(9)信号建模，包括AR,MA,ARMA,CAPQN,PRQNY等各种模型。 (10)其他特殊算法〔同态处理、抽取与内插、信号重建等)。 (11)数字信号处理的实现。 (12)数字信号处理的应用。 以上(1),(2),(3)三点是理论和技术分析的基础，是最基本的部分。 由于本书是数字信号处理的基础理论教程，不可能涉及那么多的理论内容，只着重于讨论上述前5点内容。其他内容将在后续选修课或研究生课中加以讨论

18 四、数字信号处理的特点 1、优点： （1）精度高 （2）灵活性强 （3）可以实现模拟系统很难达到的指标特性 （4）可以实现多维信号处理
（5）可靠性强 （6）容易大规模集成 （7）时分复用

19 2、缺点： 由于数字信号处理的突出优点，使得它在通信、语音、雷达、地震测报、声呐、遥感、生物医学、电视、仪器中得到愈来愈广泛的应用。
（1）增加了系统的复杂性 （2）应用的频率范围受限制 （3）系统的功率消耗比较大

20 五、数字信号处理的应用和发展 (I)滤波与变换:包括数字滤波/卷积、相关、快速傅里叶变换(FFT)、希尔伯特(Hilbert) 变换、自适应滤波、加窗法等。 (2)通信:包括自适应差分脉码调制、自适应脉码调制、脉码调制、差分脉码调制、增量调制、自适应均衡、纠错、数字公用交换、信道复用、移动电话、调制解调器、数据或数字信号的加密、破译密码、扩频技术、通信制式的转换、卫星通信,TDMA/FDMA/CDMA等各种通信制式、回波对消,IP电话、软件无线电等。

21 (3)语音、语言:包括语音邮件、语音声码器、语音压缩、数字录音系统、语音识别、语音合成、语音增强、文本语音变换、神经网络等。
(4)图像、图形:包括图像压缩、图像增强、图像复原、图像重建、图像变换、图像分割与描绘、模式识别、计算机视觉、固态处理、电子地图、电子出版、动画等。 (5)消费电子:包括数字音频、数字电视、音乐综合器、电子玩具和游戏、CD/VCD/DVD播放机、数字留言/应答机、汽车电子装置等。 (6) 仪器:包括频谱分析仪、函数发生器、地震信号处理器、瞬态分析仪、锁相环、模式匹配等。

22 (7)工业控制与自动化:包括机器人控制、激光打印机控制、何服控制、自动机、电力线监示器、计算机辅助制造、引擎控制、自适应驾驶控制等。
(8)医疗:包括健康助理、病人监视、超声仪器、诊断工具、CT扫描、核磁共振、助听器等。 (9)军事:包括雷达处理、声呐处理、导航、射频调制解调器、全球定位系统（GPS）、侦察卫星、航空航天测试、自适应波束形成、阵列天线信号处理等。

23 Industry-Specific PDAs
各种数字信息系统 Enhanced Gaming Biometrics Digital Media Processing Webpad Telematics Medical Devices Military and Government Cellular, Secure Connectivity Industry-Specific PDAs

24 数字信号处理不断开辟新的应用领域 在机械制造中，基于 FFT算法的频谱分析仪用于振动分析和机械故障诊断；医学中使用数字信号处理技术对心电(ECG)和脑电(EEG)等生物电信号作分析和处理；数字音频广播(DAB)广泛地使用了数字信号处理技术。可以说，数字信号处理技术已在信息处理领域引起了广泛的关注和高度的重视。

25 六、数字信号处理实现 软件实现 硬件实现 片上系统（SOC, System on a Chip）

26 数字信号处理的软件实现 软件实现：按照原理和算法，自己编写程序或者采用现成的程序在通用计算机上进行实现。
特点：实现灵活，但运算速度慢，一般达不到实时处理，这种方法适合于科研和教学。 应用：在许多非实时的应用场合，可以采用软件实现方法。例如，处理一盘混有噪声的录像(音)带，我们可以将图像(声音)信号转换成数字信号并存入计算机，用较长的时间一帧帧地处理这些数据。处理完毕后，再实时地将处理结果还原成一盘清晰的录像(音)带。通用计算机即可完成上述任务，而不必花费较大的代价去设计一台专用数字计算机。

27 数字信号处理的硬件实现 硬件实现：按照具体的要求和算法，设计硬件结构图，用乘法器、加法器、延时器、控制器、存储器以及输入输出接口部件实现的一种方法。 特点：运算速度快，可以达到实时处理要求，但是不灵活。 应用: 选用合适的DSP芯片，配有适合芯片语言及任务要求的软件，实现某种信号处理功能。

28 片上系统（SOC, System on a Chip）

29 七、数字信号处理的研究内容 经典的数字信号处理限于线性时不变系统理论, 数字滤波和FFT是常用方法。
目前DSP研究热点： 时变非线性系统、非平稳信号、 非高斯信号处理方法的发展、自适应滤波、 离散小波变换、 高阶矩分析、盲处理、分形、混沌理论。

30 八、课程介绍 基础理论：离散时间信号与系统（ch1） 离散傅立叶变换DFT（ch2） 快速傅立叶变换FFT（ch2）
数字滤波器 无限长单位脉冲响应（IIR）滤波器(ch3) 有限长单位脉冲响应（FIR）滤波器(ch4) 数字信号处理系统的实现（ch5） 数字信号处理器硬件（ch5） 多采样率数字信号处理（ch6） 实验课程