數字信號處理概述

數字信號處理主講教師：張磊中國海洋大學工程學院2023/10/9開課院系：工程學院自動化系課程編號：082302201247英文名稱：DigitalSignalProcessing課程總學時：34總學分：2含實驗或實踐學時：8《數字信號處理》課程教學大綱課程教學目標與基本要求：本課程系統(tǒng)地講授數字信號處理的基本理論、基本分析方法、基本算法和基本實踐方法。要求學生掌握離散時間信號與系統(tǒng)的基本理論，即離散時間信號與系統(tǒng)、離散傅立葉變換；了解快速傅立葉變換算法；掌握數字濾波器的結構、理論，掌握IIR數字濾波器和FIR數字濾波器的理論和設計方法。主要目標是了解數字信號處理的基本理論、相應的算法及這些算法的軟硬件實現，了解數字信號處理的最新進展和基本應用。為進一步的專業(yè)課程學習打下良好的基礎。近年來由于計算機技術的發(fā)展，“數字信號處理”這門課程越來越受到有關專業(yè)師生的重視，數字信號處理技術本身在設計思想、算法、仿真與設計工具以及硬件結構等方面也在不斷更新發(fā)展；與此同時，與之相關的一些課程體系也發(fā)生了較大的變化，課程間的整合與銜接有必要進行分析和思考。

1、“信號與線性系統(tǒng)”是“數字信號處理”的先修課程，目前的趨勢是“信號與線性系統(tǒng)”課程中離散信號與系統(tǒng)的比重大大增加?！皵底中盘柼幚怼闭n程在避免與“信號與線性系統(tǒng)”課程內容的大量重復之上，將盡量保持課程的完整性。

2、“數字信號處理”是一門介乎于專業(yè)基礎課程和專業(yè)課程之間的課程，教學中既應強調其基礎理論知識又應強調其應用背景。兩者應當比較好地結合起來，特別是對于自動化專業(yè)的學生，課程中將主要介紹基本原理、新技術及它的應用。

3、學生在學習這門課程時還應掌握一些必要的軟件工具，這既有利于加強概念的理解，又是今后進一步學習和研究所不可缺少的重要一步。課程引入了用于科學計算的MATLAB語言，我們給出了相應的MATLAB實例，通過較多的實例掌握基本原理和應用。

4、上機實驗是學習“數字信號處理”不可缺少的環(huán)節(jié)，課程提供了相應的實驗指導書，并指導上機練習。

數字信號處理課程介紹數字信號處理課程使用教材推薦使用教材：《數字信號處理》編者：張延華等出版社：機械工業(yè)出版社出版時間：2005第1版授課內容（細化到章、節(jié)、目）教學目標連續(xù)時間信號1.1緒論1.2基本連續(xù)時間信號1.3連續(xù)時間信號的運算與變換了解基本連續(xù)時間信號的概念、性質及運算與變換的方法。第二章信號與系統(tǒng)2.1線性時不變連續(xù)系統(tǒng)2.2LTI連續(xù)系統(tǒng)的模型2.3LTI連續(xù)系統(tǒng)的響應2.4沖激響應與階躍響應2.5卷積與零狀態(tài)響應了解信號與系統(tǒng)的基本概念，性質及分析方法。第三章離散時間信號與系統(tǒng)3.1離散時間信號的基本概念3.2離散信號的運算與變換3.3離散系統(tǒng)的基本概念熟悉離散時間信號與系統(tǒng)的概念，離散信號的運算與變換方法。第四章MATLAB實現信號的描述及運算4.1MATLAB概述4.2MATLAB的繪圖及圖像處理4.3模擬信號的描述及運算4.4數字信號的描述及運算熟悉利用MATLAB實現信號的描述及運算的方法及相關函數。數字信號處理課程安排授課內容（細化到章、節(jié)、目）教學目標第五章連續(xù)時間信號分析5.1周期信號的傅里葉級數5.2周期信號的頻譜5.3非周期信號的傅里葉變換5.4傅里葉變換的基本性質5.5抽樣定理掌握連續(xù)時間信號分析的基本方法。第六章離散時間傅立葉分析、離散傅立葉變換與快速傅立葉變換6.1離散時間信號與系統(tǒng)6.2DTFT的性質6.3離散傅立葉級數與DFT6.4DFT的性質熟悉離散時間傅立葉分析、離散傅立葉變換與快速傅立葉變換的性質。第七章數字濾波器7.1數字濾波器IIR、FIR的結構7.2IIR濾波器的設計原理7.3基于MATLAB的濾波器設計技術熟悉數字濾波器的結構及IIR數字濾波器的設計原理。第八章數字信號處理器DSP8.1概述8.2DSP的結構、指令系統(tǒng)8.3基于TMS320VC5402的軟件開發(fā)了解數字信號處理器DSP的結構和指令系統(tǒng)，介紹利用TMS320VC5402進行開發(fā)的簡單實例。第九章數字信號處理應用9.1語音信號處理實例9.2圖像處理實例了解熟悉信號處理的應用實例。實驗題目實驗內容實驗1、MATLAB的基本功能及操作熟悉MATLAB的基本界面、窗口命令及簡單的繪圖操作。實驗2、MATLAB實現離散信號的描述及運算編制MATLAB命令完成離散信號的描述及簡單運算。實驗3、MATLAB實現濾波器的結構變換掌握如何使用MATLAB命令完成數字濾波器的結構變換。實驗4、MATLAB實現數字濾波器的設計掌握如何使用MATLAB命令完成數字濾波器的設計。數字信號處理課程實驗安排數字信號處理課程的要求及考核出勤：課堂出勤及實驗課出勤實驗：要求提交實驗報告考試形式：閉卷考試比例：平時成績20%，考試成績80%數字信號處理網絡資源/teach/31306021.htm

北京郵電大學信息工程學院/playlist_show/id_2577794.html

數字信號處理授課視頻電子科技大學4/new/dsp/index.asp

武漢理工大學精品課程展示（較詳細）/zq/signal/7-1.htm

東南大學精品課程展示（較詳細）無線工程系3/dx/szxh/index.htm

華東理工大學信息工程專業(yè)/upinstrimg/200310291522134.pdf

數字信號處理課件PDF§1．1引言數字信號處理(DigitalSignalProcessing,DSP)數字信號處理:是20世紀60年代，隨著信息學科和計算機學科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學科。它的重要性日益在各個領域的應用中表現出來。數字信號處理是把信號用數字或符號表示成序列，通過計算機或通用（專用）信號處理設備，用數字的數值計算方法處理（例如：濾波、變換、增強、估計、識別等），達到提取有用信息，便于應用的目的。第一章.數字信號處理概述對于DSP:狹義理解可為DigitalSignalProcessor數字信號處理器。廣義理解可為DigitalSignalProcessing譯為數字信號處理技術。在此我們討論的DSP的概念是指廣義的理解。主要學習內容DSP涉及的重要概念、基本理論和方法DSP硬件的實現（數字信號處理器）實際數字信號處理系統(tǒng)實際系統(tǒng)并不一定要包括它的所有框圖。如有些系統(tǒng)只需數字輸出，可直接以數字形式顯示或打印，就不需要D/A變換器；另一些系統(tǒng)的輸入就是數字量，因而就不需要A/D變換器；純數字系統(tǒng)則只需要數字信號處理器這一核心即可。模擬信號的數字信號處理系統(tǒng)抽樣量化數字信號處理的學科發(fā)展在國際上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里葉變換(FFT)的問世，作為數字信號處理這一學科的開端。數字信號處理領域的理論基礎數字信號處理的基本工具：微積分，概率統(tǒng)計，隨機過程，高等代數，數值分析，近代代數，復雜函數。數字信號處理的理論基礎：離散線性變換(LSI)系統(tǒng)理論，離散付里葉變換(DFT)。數字信號處理學科內容（1）離散時間線性時不變系統(tǒng)分析（2）離散時間信號時域及頻域分析、離散付里葉變換（DFT）理論（3）信號的采集，包括A/D,D/A技術，抽樣，多率抽樣，量化噪聲理論等（4）數字濾波技術（5）譜分析與快速付里葉變換（FFT），快速卷積與相關算法。（6）自適應信號處理數據信號處理的特點與模擬系統(tǒng)(ASP)相比，數字系統(tǒng)具有如下特點：1、精度高2、可靠性高3、靈活性大4、易于大規(guī)模集成5、時分復用6、可獲得高性能指標7、二維與多維處理精度高: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到10-3e以上。而數字系統(tǒng)中，17位字長就可達10-5e精度，所以在高精度系統(tǒng)中，有時只能采用數字系統(tǒng)。可靠性高:模擬系統(tǒng)：各參數都有一定的溫度系數，易受環(huán)境條件，如溫度、振動、電磁感應等影響，產生振蕩等數字系統(tǒng)：只有兩個信號電平0，1受噪聲及環(huán)境條件等影響小。且數字系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路，其故障率遠遠小于采用眾多分立元件構成的模擬系統(tǒng)。靈活性大：數字系統(tǒng)的性能主要決定于乘法器的各系數，且系數存放于系數存儲器內，只需改變存儲的系數，就可得到不同的系統(tǒng)，比改變模擬系統(tǒng)方便得多。易于大規(guī)模集成：數字部件：高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成，大規(guī)模生產，對電路參數要求不嚴，故產品成品率高。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、電容器的數值，體積，重量非常大，且性能亦不能達到要求，而數字信號處理系統(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。時分復用：利用DSP同時處理幾個通道的信號。某一路信號的相鄰兩抽樣值之間存在很大的空隙時間，因而在同步器的控制下，在此時間空隙中送入其他路的信號，而各路信號則利用同一DSP，后者在同步器的控制下，算完一路信號后，再算另一路信號，因而處理器運算速度越高，能處理的信道數目也就越多。數字信號處理的應用領域自20世紀60年代以來，數字信號處理的應用已成為一種明顯的趨勢，這與它突出優(yōu)點分不開的。數字信號處理大致可分為：信號分析信號濾波典型信號處理實例遠程通信（多路技術、壓縮、回聲抑制）圖象處理（醫(yī)學影像、影像產品、圖像增強、恢復）語音壓縮在ＧＳＭ手機中用ＤＳＰ可將語音壓縮，在衛(wèi)星電話中用ＤＳＰ將語音壓縮仍具有良好的清晰度。在語音信箱、留言電話方面也都采用語音壓縮技術和ＤＳＰ。語音處理:它是最早采用數字信號處理技術的領域之一。本世紀50年代提出語音形成數學模型，經過十多年對語音的分析、綜合，證明是正確的。在語音領域現存在著三種系統(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，聲音響應的計算機終端，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)。應用于語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人確認、語音郵件、語音存儲等。數字壓縮：數據壓縮在一定條件下把原始信號所含信息數據進行壓縮,如語音、聲音、圖像信號中含有許多冗余信息,通過數字信號壓縮算法最大限度地去除這些信號中的冗余度,使壓縮后信號帶寬減小,提高傳輸效率。作數據存儲時可降低所需存儲介質的容量。例如直徑為120ｍｍ的ＣＤ光盤,本來存儲的只是一套70分鐘的ＨｉＦｉ立體聲音樂,現在可將70分鐘電視信號和音樂信號都壓縮到120ｍｍ的光盤上,即ＶＣＤ光盤。會議電視和可視電話：采用ＤＳＰ完成視頻圖像信號的壓縮,制成可通過公用電話交換網(ＰＳＴＮ)傳輸的會議電視或可視電話。圖像處理：數字信號處理技術成功應用的圖像處理方法有：數據壓縮圖像復原清晰化與增強由于單個數字圖像以1兆個采樣值的量級表示，所以要求高性能的處理機、高密度的數據存儲器。即要求高速度硬件。數字信號處理實現方法1.采用大、中小型計算機和微機。2.用單片機。3.利用通用DSP芯片4.利用特殊用途的DSP芯片1.采用大、中小型計算機和微機工作站和微機上各廠家的數字信號軟件，如有各種圖象壓縮和解壓軟件。優(yōu)點：可適用于各種數字信號處理的應用場合，很靈活。2.用單片機由于單片機發(fā)展已經很久，價格便宜，且功能很強。優(yōu)點：可根據不同環(huán)境配不同單片機，其能達實時控制，但數據運算量不能太大。3.利用通用DSP芯片DSP芯片較之單片機有著更為突出優(yōu)點。如內部帶有乘法器，累加器，采用流水線工作方式及并行結構，多總線速度快。配有適于信號處理的指令(如FFT指令)等。目前市場上的DSP芯片有：美國德州儀器公司(TI):TMS320CX系列占有90%（TMS320VC5402開發(fā)套件）還有AT&T公司dsp16,dsp32系列；Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列/dsp/316c49e5a833517c.html4.利用特殊用途的DSP芯片市場上推出專門用于FFT,FIR濾波器，卷積、相關等專用數字芯片。如：BB公司：DF17XX系列MAXIM公司：MAXIM27X,MAXIM28XNational公司：National-SEMI系列：MF系列。其軟件算法已在芯片內部用硬件電路實現，使用者只需給出輸入數據，可在輸出端直接得到數據。DSP技術的發(fā)展方向數字信號處理技術已經成熟,正在獲得廣泛的應用。ＤＳＰ在電子和通信領域的數字化革命中扮演著主要角色,它為新體制、新原理和新算法提供了最佳的實現條件。DSP技術的發(fā)展趨勢是“多快好省”。多：DSP的型號越來越多，功能越來越多快：運算的速度越來越快，指令速度越來越快，頻率越來越高，功能越來越強好：主要是指性能價格比?。汗脑絹碓降汀?．2信號的描述與分類1.信號的描述1.信號信號處理可以理解為是對信號進行的某種加工或變換，其目的是消弱信號中的多余內容，濾除混雜的噪聲和干擾，或將信號變換成容易分析與識別的形式，便于估計和選擇它的特征參量。信號是隨著某些參數變化的某種物理量。通?？梢员硎緸橐粋€或多個變量的函數。通信技術中，語言、文字、圖像等信息必須借助一定形式的物理信號（如：聲、光、電等）才能實現快速傳輸和各種處理。因此，信號是信息的表現形式，是通信傳輸的客觀對象，而信息是信號的具體內容，它蘊藏在信號之中。§1．2信號的描述與分類1.信號的描述2.信號的特性信號的時間特性：任何信號都可以表示為隨時間變化的函數。主要表現在隨時間t的變化，其波形幅值的大小、持續(xù)時間的長短、變化速率的快慢、波動的速度及重復周期的大小等都發(fā)生改變。信號的頻率特性：任何信號都可以分解為許多不同頻率的正弦分量之和。主要表現在各頻率正弦分量所占比重的大小、主要頻率分量所占有的頻率范圍等都不同。不同形式的信號具有不同的時間特性和頻率特性，而信號的時間特性和頻率特性有著密切的聯系，都包含了信號的全部信息。§1．2信號的描述與分類2.信號的分類1.確定信號和隨機信號按信號是否可以預知劃分為確定性信號和隨機信號。可以表示為確定的時間函數的信號稱為確定性信號。如：對于某一時刻t，信號都有一確定的值與之對應。信號可以表示為某些變量的函數形式。不能表示為確定的時間函數，通常僅知道取某一數值的概率，這樣的信號稱為隨機信號。如噪聲和干擾信號。隨機信號帶有不確定性和不可預知性，通常用概率和統(tǒng)計的方法進行研究?！?．2信號的描述與分類2.信號的分類2.一維信號和n維信號按信號可以表示為幾個變一維信號和n維信號。一維信號是指信號只是一個變量的函數。如：f(t)是t的函數，K和a為常數。n維信號是指信號是n個變量的函數。如：靜止平面圖像信號為平面坐標(x,y)的函數，是二維信號。運動的平面圖像是(x,y,t)的函數，稱為三維信號。§1．2信號的描述與分類2.信號的分類3.時限信號和非時限信號按信號的持續(xù)時間劃分為時限信號和非時限信號。存在于有限時間范圍之內的信號稱之為時限信號，即有始有終信號。存在于無限時間范圍內的信號稱之為非時限信號。常細分為有始、有終、無始無終信號?！?．2信號的描述與分類2.信號的分類4.連續(xù)時間信號和離散時間信號按信號是否是時間的連續(xù)函數劃分為連續(xù)時間信號和離散時間信號。幅值隨時間做連續(xù)變化的連續(xù)時間信號稱為模擬信號。模擬信號的時間和幅值均為連續(xù)的。只在某些離散的時刻有定義的信號稱之為離散信號。為了研究和處理方便，將連續(xù)時間信號進行抽樣，得到離散時間信號，即只取有代表性的離散時刻的信號數值。離散信號中時間離散、幅值連續(xù)的信號稱之為抽樣信號；經過量化后的離散信號，其時間和幅值均離散，稱為數字信號。§1．2信號的描述與分類2.信號的分類4.連續(xù)時間信號和離散時間信號模擬信號經過抽樣、量化后形成數字信號。由于數字芯片只能處理二進制數字信號，可以將一般數字信號編碼，得到二進制數字信號。§1.3時間信號的運算與變換1.3.1

正弦信號1.3.2

指數信號1.3.3

抽樣信號1.3.4

奇異信號1.3.1正弦信號在電路理論中已經介紹了許多正弦信號的知識，只不過當時將其稱為電壓或電流而已。正弦信號和余