chap信號和信號處理

1、數(shù)字信號處理 電話：2010年2月1預(yù)修課程：信號與系統(tǒng)面向?qū)ο螅弘妰x、生醫(yī)三年級學(xué)生考試方式及要求：考試和平時作業(yè)相結(jié)合，考試占70%，平時作業(yè)占30%2講授內(nèi)容與參考書教材：朱軍，數(shù)字信號處理，合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2009參考書：程佩青，數(shù)字信號處理教程，清華大學(xué)出版社，2007A.V.Oppenheim ，“Digital Signal Processing” ，1975，中譯本有多種胡廣書，數(shù)字信號處理理論、算法與實現(xiàn)，清華大學(xué)出版社，199731.緒論信號和信號處理2.離散時間信號的時域分析3.Z變換4.離散傅里葉變換本課程內(nèi)容安排5. 快速傅里葉變換6. IIR濾波器設(shè)計 7. F

2、IR濾波器設(shè)計 8. 總復(fù)習(xí)4本課程內(nèi)容安排本課程主要介紹了數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)理論及方法，主要包括時域中的離散時間信號與系統(tǒng)、變換域中的離散時間信號和系統(tǒng)、連續(xù)時間信號的數(shù)字處理、數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)及數(shù)字濾波器的設(shè)計方法等。MATLAB是進(jìn)行數(shù)字信號處理實踐最方便、最能使學(xué)習(xí)者產(chǎn)生興趣的平臺。利用Internet來擴(kuò)大自己的知識面和跟蹤本門學(xué)科的最新發(fā)展動態(tài)。5數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理

3、是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。TI，ADI，F(xiàn)REESCALE等什么是DSP？數(shù)字信號處理6什么是DSP？數(shù)字信號處理器DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。7什么是DSP？數(shù)字信號處理器根據(jù)

4、數(shù)字信號處理運算的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點： （1）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； （3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問； （4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； （5）快速的中斷處理和硬件I/O支持； （6）具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器； （7）可以并行執(zhí)行多個操作； （8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。8DSP芯片浮點與定點定點與浮點DSP的基本差異在于它們各自對數(shù)據(jù)的數(shù)字表示法不同。定點硬件嚴(yán)格執(zhí)行整數(shù)運算，而浮點 DSP 既支持整數(shù)運算又支

5、持實數(shù)運算，后者以科學(xué)計數(shù)法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。字長為 16 位的定點 DSP 實現(xiàn) 64K 的精度，帶符號整數(shù)值范圍為 -215 至 215-1。與此相對比，浮點DSP將數(shù)據(jù)路徑分為兩部分：一是可用作整數(shù)值或?qū)崝?shù)基數(shù)的尾數(shù)，二是指數(shù)。由于其較長的字長與取冪范圍，這樣的動態(tài)范圍大大高于定點格式可提供的精確度。單精度浮點32位，尾數(shù)為24位，指數(shù)為8位。雙精度浮點64位，尾數(shù)為53位，指數(shù)為11 位。9DSP的典型應(yīng)用1.網(wǎng)絡(luò)2.無線通信3.醫(yī)療家電4.另外還有虛擬現(xiàn)實，噪聲對消技術(shù)，電機(jī)控制，圖像處理等等可以說DSP是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的重要基石，它在網(wǎng)絡(luò)時代的地位與CPU在PC時代的地位是一樣的。10例

6、1.語音處理它是最早采用數(shù)字信號處理技術(shù)的領(lǐng)域之一。本世紀(jì)50年代提出語音形成數(shù)字模型，經(jīng)過十多年對語音的分析、綜合、證明是正確的。在語音領(lǐng)域現(xiàn)存在著三種系統(tǒng)：語音分析系統(tǒng)：(自動語音識別系統(tǒng)，它能識別語音，辨認(rèn)說話的人是誰，而且破譯后，能立即作出決斷。語音綜合系統(tǒng)：盲人的自動閱讀機(jī)，聲音響應(yīng)的計算機(jī)終端，會說話玩具，家用電器(CD,VCD,DVD)。語音分析綜合系統(tǒng)：語音存儲和檢索系統(tǒng)。即廣泛應(yīng)用于電話竊聽。即應(yīng)用于語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人確認(rèn)、語音郵件、語音存儲等。11例2.圖像處理數(shù)字信號處理技術(shù)成功應(yīng)用的圖像處理方法有：數(shù)據(jù)壓縮圖像復(fù)原清晰化與增強由于單個數(shù)字圖像

7、以1兆個采樣值的量級表示，所以要求高性能的處理機(jī)、高密度的數(shù)據(jù)存儲器。即要求高速度硬件。12例3. 雷達(dá)在軍事上，雷達(dá)、計算機(jī)、射擊武器等組成一個自動控制系統(tǒng)。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)的作用半徑以內(nèi)并被雷達(dá)自動跟蹤時，雷達(dá)就測量出目標(biāo)的當(dāng)前位置(距離、方位角和高低角)，并把數(shù)據(jù)送入計算機(jī)，推算出目標(biāo)的航向，航速，引導(dǎo)導(dǎo)彈或自動火炮去擊中目標(biāo)(愛國者導(dǎo)彈對飛毛腿導(dǎo)彈)。雷達(dá)系統(tǒng)是應(yīng)用高性能數(shù)字信號處理技術(shù)的一個例子。雷達(dá)系統(tǒng)主要信號處理功能包括：信號產(chǎn)生、匹配濾波、門限比較、目標(biāo)參數(shù)(如射程、方位和速度)估計。13例4. 通信整個通信領(lǐng)域幾乎沒有不受數(shù)字信號處理技術(shù)影響的地方。數(shù)字技術(shù)已用于信號的調(diào)制、解

8、調(diào)、濾波、混頻、檢波和多路傳輸?shù)葐栴}中。語音數(shù)據(jù)壓縮與解壓是數(shù)字信號處理的重要內(nèi)容。在電信領(lǐng)域，數(shù)字處理技術(shù)已發(fā)展到音調(diào)檢測，回波清除、數(shù)字開關(guān)網(wǎng)和自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、可視電話等。許多音頻通信的信號處理功能，已由單塊集成電路實現(xiàn)。14其他生物醫(yī)學(xué)信號處理CT / CATCT：計算機(jī)X射線斷層攝影裝置。其中頭顱CT英國EMI公司豪斯菲爾德獲諾貝爾獎。CAT:計算機(jī)X射線空間重建裝置。出現(xiàn)全身掃描，心臟活動立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干圖像重建。嵌入式電子系統(tǒng)15藍(lán)牙耳機(jī)IP可視電話各類數(shù)碼產(chǎn)品16數(shù)字測速計自動變焦攝像頭數(shù)字電視 數(shù)碼相機(jī)17醫(yī)學(xué)成像超聲波探傷器1819一、緒論1.信

9、號2.信號的最基本的參數(shù) 3.信號分類4.典型的信號處理運算 5.數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成6.數(shù)字信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域7.數(shù)字信號處理的特點201. 信號信息科學(xué)是研究信息的獲取、傳輸、處理和利用的一門科學(xué)。信號是傳輸信息的函數(shù)，是信息的物理表現(xiàn)形式；而信息是信號的具體內(nèi)容。數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)代信息技術(shù)發(fā)展的大趨勢，而數(shù)字化是智能化和網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)。 212. 信號的最基本的參數(shù) 頻率：自變量的周期的倒數(shù)幅度：在指定自變量上的信號的值波形：幅度隨自變量的變化223. 信號分類 按信號源數(shù)量分：標(biāo)量信號一個信號源矢量信號（多通道信號）多個信號源自變量數(shù)目：一維（自變量通常是時間）語音：T二

10、維圖像：X、Y三維黑白視頻：X、Y、T233. 信號分類按信號定義域分實值信號為實數(shù)復(fù)值信號為復(fù)數(shù)按自變量性質(zhì)分連續(xù)（時間）信號自變量定義域為每個時刻，（T1，T2）區(qū)間離散（時間）信號自變量定義域為離散時刻Ti序列，Ti一般等間隔243. 信號分類按幅值的性質(zhì)分(1)模擬信號連續(xù)幅值的連續(xù)時間信號(2)量化階梯信號離散幅值的連續(xù)時間信號(3)抽樣數(shù)字信號連續(xù)幅值的離散時間信號(4)數(shù)字信號離散幅值的離散時間信號四者的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系*25T2T-30123435474n-10y(t)1234263. 信號分類及相關(guān)分析處理是否有唯一確定的描述 確定信號可以由一個完全定義的過程（數(shù)學(xué)表達(dá)式、規(guī)則、

11、查表等）來確定的信號隨機(jī)信號由隨機(jī)方式產(chǎn)生的且不能在時間上預(yù)測的信號對應(yīng)的信號分析手段：時域自相關(guān) 頻域功率譜27常見概念信號自身的分析：自相關(guān)自相關(guān)性表現(xiàn)為數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)的程度。實際上，它是研究數(shù)據(jù)之間相關(guān)性的一個指標(biāo)，兩組數(shù)據(jù)可能完全相同，也可能毫無關(guān)系，許多科學(xué)研究都建立在相關(guān)性基礎(chǔ)之上。自相關(guān)是衡量2段數(shù)據(jù)之間相似程度的一種計算，以便濾除動態(tài)噪聲，保持原有信號成分。物理意義：兩組相同輸入信號在時延為時，信號之間的關(guān)聯(lián)程度；若為0？若不為0，反映了什么信息？28為何要進(jìn)行信號相關(guān)性分析293031互相關(guān)32互相關(guān)自相關(guān)是設(shè)置一個隨機(jī)， =0最大；而互相關(guān)是直接求 ，判斷延時信息。33

12、互相關(guān)34舉例相關(guān)函數(shù)在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用35信號的研究域：時域與頻域 時域：相關(guān)性、均值、方差頻域：功率譜等 轉(zhuǎn)換關(guān)系：傅里葉變換對36373839406)x1（t）通過x2（t）信道后的輸出特性。4142線性卷積的計算卷積的運算過程可分為四步翻褶 （2）移位 （3）相乘 （4）相加43狄拉克函數(shù)與卷積44狄拉克函數(shù)與卷積45實際應(yīng)用的沖擊函數(shù)隨機(jī)噪聲 高通或低通濾波器無法輕易濾除的噪聲很多，最常見的就是白噪聲。白噪聲在整個頻譜內(nèi)每個頻點的能量為常數(shù)，且基本恒定，不管對信號進(jìn)行低通還是高通處理，均不能有效地濾除白噪聲，因為它存在于整個頻帶范圍內(nèi)。 46白噪聲圖譜時域信號對于高斯白噪聲：均值

13、為0，方差為3.3x頻域及自相關(guān)信號 No/2為常量問題：白噪聲圖譜與哪個非線性理想函數(shù)相似？47白噪聲與沖激函數(shù)關(guān)系48矩形脈沖信號x（t）49矩形脈沖函數(shù)頻譜50幅度不再是等幅，成為周期矩形脈沖包絡(luò)線的加權(quán)矩形脈沖的信號抽樣卷積過程514. 典型的信號處理運算 1. 基本運算（時域）標(biāo)乘延時相加相乘524. 典型的信號處理運算積分（在離散域近似實現(xiàn)）微分（在離散域近似實現(xiàn)）連續(xù)信號的傅立葉變換534. 典型的信號處理運算2. 濾波 低通濾波器 高通濾波器 帶通濾波器 帶阻濾波器 陷波濾波器 多頻帶濾波器 梳狀濾波器 544. 典型的信號處理運算3. 幅度調(diào)制載波信號高頻正弦波調(diào)制信號低頻帶

14、限信號相乘已調(diào)信號55信號調(diào)制在DSP處理中的應(yīng)用一、放大與濾波壓縮頻帶 適用范圍：信號與噪聲頻譜不重疊 問題：一級濾波器及二級濾波器的區(qū)別？56二、調(diào)制放大與解調(diào) 調(diào)制：低頻信號與載波相乘得Vm(t)，至中頻區(qū)解調(diào)： 中頻區(qū)的Vm（t），與載波相乘得Vd(t)，重至低頻區(qū)57相關(guān)三角和差化積公式sin（）sin（）cos（）cos（） sin coscos sincos cossin sinsincoscossinsincoscossincoscossinsincoscossinsin1/2sin（）sin（）1/2sin（）sin（）1/2cos（）cos（）-1/2cos（）cos（）5

15、8適用范圍：慢變信號，克服漂移。 59信號的調(diào)制與解調(diào)注意：c屬中高頻，而s屬低頻信號，否則？ 哪一個環(huán)節(jié)使噪聲濾除？關(guān)鍵步驟：調(diào)制過程使信號從低頻段至中頻段， 再放大解調(diào)得到原有信號605.數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成前置預(yù)濾波器A/D變換器數(shù)字信號處理器D/A變換器模擬濾波器PrFADCDSPDACPoF模擬Ya(t)模擬Xa(t)615.數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成前置濾波器將輸入信號xa(t)中高于折疊頻率(等于抽樣頻率的一半)的分量加以濾除。A/D變換器由模擬信號產(chǎn)生一個二進(jìn)制流。在A/D變換器中每隔T秒(抽樣周期)取出一次xa(t)的幅度，抽樣后的信號為數(shù)字信號。625.數(shù)字信號處理系

16、統(tǒng)的基本組成數(shù)字信號處理器(DSP)按照預(yù)定要求，在處理器中將信號序列x(n)進(jìn)行加工處理得到輸出信號y(n).D/A變換器由一個進(jìn)制流產(chǎn)生一個階梯波形（量化階梯信號）。后置濾波器把階梯波形平滑成預(yù)期的模擬信號。以濾除掉不需要的高頻分量，生成所需的模擬信號ya(t).636.數(shù)字信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)字信號處理大致可分為：信號分析信號濾波64信號分析任務(wù)：涉及信號特性的測量。它通常是一個頻域的運算。主要應(yīng)用于： 譜(頻率和/或相位)分析 語音分析 說話人識別 目標(biāo)檢測65信號分析關(guān)鍵：周期與非周期信號頻譜特點周期信號特點：1、周期信號的頻譜由不連續(xù)的線條組成，每一條線代表一個正弦量，故稱為離散頻

17、譜；2、周期信號頻譜的每條譜線只能出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍頻率上。這就是周期信號頻譜的諧波性；3、各次諧波的振幅，總的趨勢是隨著諧波次數(shù)的增高而逐漸減小。所以，周期信號的頻譜具有收斂性。 以上就是周期信號頻譜的三個特點：離散性、諧波性、收斂性。這是周期信號共有的特點。66周期信號頻譜任一個連續(xù)周期信號都可以寫成不同頻率下的正弦或余弦級數(shù)的展開?。╬71）67周期信號頻域離散；非周期頻域連續(xù)離散頻譜與連續(xù)頻譜 作為非周期信號，可認(rèn)為T無窮大。 當(dāng)周期信號的周期T增大，其頻譜中的譜線也相應(yīng)地漸趨密集，頻譜的幅度也相應(yīng)的漸趨減小。當(dāng) T接近無窮時，頻譜線無限密集，頻譜幅度無限趨小。這時，離散頻譜就變成

18、連續(xù)頻譜。所以非周期信號為連續(xù)譜。68但對于非周期信號，69該部分總結(jié)：FT 變換的幾種形式傅 里 葉 級 數(shù)(FS)：連 續(xù) 時 間 , 離 散 頻 率 的 傅 里 葉 變 換 。連 續(xù) 傅 里 葉 變 換(FT)：連 續(xù) 時 間 , 連 續(xù) 頻 率 的 傅 里 葉 變 換 。序 列 的 傅 里 葉 變 換(DTFT):離 散 時 間 , 連 續(xù) 頻 率 的 傅 里 葉 變 換.離 散 傅 里 葉 變 換(DFT):離 散 時 間 , 離 散 頻 率 的 傅 里 葉 變 換701）.傅 里 葉 級 數(shù)(FS)周期連續(xù)時間信號 非周期離散頻譜密度函數(shù)。 周期為Tp的周期性連續(xù)時間函數(shù) x(t)

19、 可展成傅里葉級數(shù)X(jk0) ,是離散非周期性頻譜 , 表 示為:FS71例子通過以下 變 換 對 可 以 看 出 時 域 的 連 續(xù) 函 數(shù) 造 成 頻 域 是 非 周 期 的 頻 譜 函 數(shù) , 而 頻 域 的 離 散 頻 譜 就 與 時 域 的 周 期 時 間 函 數(shù) 對 應(yīng) . 722）.連 續(xù) 傅 里 葉 變 換(FT)非周期連續(xù)時間信號通過連續(xù)付里葉變換(FT)得到非周期連續(xù)頻譜密度函數(shù)。73例子這以下變換對可以看出時域 連 續(xù) 函 數(shù) 造成頻域是非周期的譜 , 而是時域的非周期造成頻域是連續(xù)的譜 . 743.序 列 的 傅 里 葉 變 換(DTFT)非周期離散的時間信號得到周期

20、性連續(xù)的頻率函數(shù)。75例子同樣可看出,時域的離散造成頻域的周期延拓 ,而時域的非周期對應(yīng)于頻域的連續(xù) . 764.離 散 傅 里 葉 變 換(DFT)上面討論的三種傅里葉變換對 ,都不適用在計算機(jī)上運算 , 因為至少在一個域 ( 時 域 或 頻 域 ) 中 , 函 數(shù) 是 連 續(xù) 的 . 因 為 從 數(shù) 字 計 算 角 度 , 我 們 感 興 趣 的 是 時 域 及 頻 域 都 是 離 散 的 情 況 , 這 就 是 我 們 這 里 要 談 到 的 離 散 傅 里 葉 變 換 .周期性離散時間信號從上可以推斷：周期性時間信號可以產(chǎn)生頻譜是離散的離散時間信號可以產(chǎn)生頻譜是周期性的。得出其頻譜為周

21、期性離散的。也即我們所希望的。77DFT的變換總之，一個域的離散必然造成另一個域的周期延拓。K為諧波序號7879四種付里葉變換形式的歸納807.數(shù)字信號處理的特點優(yōu)點精度高可靠性靈活性大易于大規(guī)模集成可獲得高性能指標(biāo)二維與多維處理81精度高在模擬系統(tǒng)中，它的精度是由元件決定，模擬元器件的精度很難達(dá)到10-3以上。而數(shù)字系統(tǒng)中，17位字長就可達(dá)10-5精度，所以在高精度系統(tǒng)中，有時只能采用數(shù)字系統(tǒng)。 返回 82可靠性強數(shù)字系統(tǒng)：只有兩個信號電平0，1受噪聲及環(huán)境條件等影響小。模擬系統(tǒng)：各參數(shù)都有一定的溫度系數(shù)，易受環(huán)境條件，如溫度、振動、電磁感應(yīng)等影響，產(chǎn)生雜散效應(yīng)甚至振蕩等且數(shù)字系統(tǒng)采用大規(guī)模

22、集成電路，其故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用眾多分立元件構(gòu)成的模擬系統(tǒng)。 返回83易于大規(guī)模集成數(shù)字部件：高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成，大規(guī)模生產(chǎn)，對電路參數(shù)要求不嚴(yán)，故產(chǎn)品成品率高。例：(尤其)在低頻信號：如地震波分析，需要過濾幾Hz幾十Hz的信號，用模擬系統(tǒng)處理其電感器、電容器的數(shù)值，體積，重量非常大，且性能亦不能達(dá)到要求，而數(shù)字信號處理系統(tǒng)在這個頻率處卻非常優(yōu)越(顯示出體積，重量和性能的優(yōu)點。 返回84可獲得高性能指標(biāo)例：對信號進(jìn)行頻譜分析模擬頻譜儀在頻率低端只能分析到10Hz以上頻率，且難于做到高分辨率(也即足夠窄的帶寬)。但在數(shù)字的譜分析中，已能做到10-3Hz的譜分析。又例：有限長沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器，則可實現(xiàn)準(zhǔn)確的線性相位特性，這在模擬系統(tǒng)中是很難達(dá)到的。 返回85二維與多維處理利用龐大的存儲單元，可以存儲一幀或數(shù)幀圖象信號，實現(xiàn)二維甚至多維信號包括二維或多維濾波，二維及多維譜分析等。 返回86DSP芯片浮點TI公司3X、283X、6000系列定點TI公