《數(shù)字信號處理》課件第0章

緒論

1．?dāng)?shù)字信號處理的基本概念

幾乎在所有的工程技術(shù)領(lǐng)域中都會涉及到信號處理問題，其信號表現(xiàn)形式有電、磁、機(jī)械以及熱、光、聲等。信號處理一般包括數(shù)據(jù)采集以及對信號進(jìn)行分析、變換、綜合、估值與識別等。

這里的信號類別有4種：第1種是連續(xù)信號(即模擬信號)，它的幅度和時間都取連續(xù)變量；第2種是時域離散信號，其幅度取連續(xù)變量，而時間取離散值；第3種是幅度離散信號，其時間變量取連續(xù)值，幅度取離散值，如振幅鍵控信號；第4種是數(shù)字信號，它的幅度和時間都取離散值。一般來說，數(shù)字信號處理的對象是數(shù)字信號，模擬信號處理的對象是模擬信號。但是，如果系統(tǒng)中增加數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，那么，數(shù)字信號處理系統(tǒng)也可以處理模擬信號。這里關(guān)鍵的問題是兩種信號處理系統(tǒng)對信號處理的方式不同，數(shù)字信號處理是采用數(shù)值計算的方法完成對信號的處理，而模擬信號處理則是通過一些模擬器件，例如晶體管、運(yùn)算放大器、電阻、電容、電感等，完成對信號的處理。例如，圖0.0.1(a)所示的是一個簡單的模擬高通濾波器，它是由電阻R和電容C組成的，而圖0.0.1(b)所示的則是一個簡單的數(shù)字高通濾波器，它是由一個加法器、一個乘法器和一個延時器組成的。因此，簡單地說，數(shù)字信號處理就是用數(shù)值計算的方法對信號進(jìn)行處理，這里“處理”的實(shí)質(zhì)是“運(yùn)算”，處理對象則包括模擬信號和數(shù)字信號。圖0.0.1高通濾波器簡型

2．?dāng)?shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)方法數(shù)字信號處理的主要對象是數(shù)字信號，且是采用數(shù)值運(yùn)算的方法達(dá)到處理目的的。因此，其實(shí)現(xiàn)方法不同于模擬信號的實(shí)現(xiàn)方法，基本上可以分成兩種，即軟件實(shí)現(xiàn)方法和硬件實(shí)現(xiàn)方法。軟件實(shí)現(xiàn)方法指的是按照原理和算法，自己編寫程序或者采用現(xiàn)成的程序在通用計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)；硬件實(shí)現(xiàn)是按照具體的要求和算法，設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)圖，用乘法器、加法器、延時器、控制器、存儲器以及輸入輸出接口等基本部件實(shí)現(xiàn)的一種方法。顯然,軟件實(shí)現(xiàn)靈活，只要改變程序中的有關(guān)參數(shù)，例如只要改變圖0.0.1(b)中的參數(shù)a，數(shù)字濾波器可能就是低通、帶通或高通濾波器，但是運(yùn)算速度慢，一般達(dá)不到實(shí)時處理，因此，這種方法適合于算法研究和仿真。硬件實(shí)現(xiàn)運(yùn)算速度快，可以達(dá)到實(shí)時處理要求，但是不靈活。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法屬于軟硬結(jié)合實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在單片機(jī)發(fā)展很快，功能也很強(qiáng)，配以數(shù)字信號處理軟件，既靈活，速度又比軟件方法快，這種方法適用于數(shù)字控制等。采用專用的數(shù)字信號處理芯片(DSP芯片)是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種方法。因?yàn)镈SP芯片比通用單片機(jī)有更為突出的優(yōu)點(diǎn)，它結(jié)合了數(shù)字信號處理的特點(diǎn)，內(nèi)部配有乘法器和累加器，結(jié)構(gòu)上采用了流水線工作方式以及并行結(jié)構(gòu)、多總線，且配有適合數(shù)字信號處理的指令，是一類可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算的微處理器。DSP芯片已由最初的8位發(fā)展為16位、32位，且性能優(yōu)良的高速DSP不斷面市，價格也在不斷下降。可以說，用DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理，正在變成或已經(jīng)變成工程技術(shù)領(lǐng)域中的主要實(shí)現(xiàn)方法。綜上所述，如果從數(shù)字信號處理的實(shí)際應(yīng)用情況和發(fā)展考慮，數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)方法分成軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)兩大類。而硬件實(shí)現(xiàn)指的是選用合適的DSP芯片，配有適合芯片語言及任務(wù)要求的軟件，實(shí)現(xiàn)某種信號處理功能的一種方法。這種系統(tǒng)無疑是一種最佳的數(shù)字信號處理系統(tǒng)。對于更高速的實(shí)時系統(tǒng)，DSP的速度也不滿足要求時，應(yīng)采用可編程超大規(guī)模器件或開發(fā)專用芯片來實(shí)現(xiàn)。

3．?dāng)?shù)字信號處理的特點(diǎn)

由于數(shù)字信號處理是用數(shù)值運(yùn)算的方式實(shí)現(xiàn)對信號的處理的，因此，相對模擬信號處理，數(shù)字信號處理主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）靈活性數(shù)字信號處理系統(tǒng)(簡稱數(shù)字系統(tǒng))的性能取決于系統(tǒng)參數(shù)，這些參數(shù)存儲在存儲器中，很容易改變，因此系統(tǒng)的性能容易改變，甚至通過參數(shù)的改變，系統(tǒng)可以變成各種完全不同的系統(tǒng)。靈活性還表現(xiàn)在數(shù)字系統(tǒng)可以分時復(fù)用，用一套數(shù)字系統(tǒng)分時處理幾路信號。數(shù)字系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)的功能，可以根據(jù)環(huán)境條件、用戶需求，自動選擇最佳的處理算法。軟件無線電的基本思想就是:將寬帶A/D變換器及D/A變換器盡可能地靠近射頻天線，建立一個具有“A/D-DSP-D/A”模型的通用的、開放的硬件平臺，在這個硬件平臺上盡量利用軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電臺的各種功能模塊。

2）高精度和高穩(wěn)定性數(shù)字系統(tǒng)的特性不易隨使用條件變化而變化，尤其使用了超大規(guī)模集成的DSP芯片，使設(shè)備簡化，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。運(yùn)算位數(shù)又由8位提高到16、32位，在計算精度方面，模擬系統(tǒng)是不能和數(shù)字系統(tǒng)相比擬的，為此，許多測量儀器為滿足高精度的要求只能采用數(shù)字系統(tǒng)。

3）便于大規(guī)模集成數(shù)字部件具有高度的規(guī)范性，對電路參數(shù)要求不嚴(yán)，容易大規(guī)模集成和大規(guī)模生產(chǎn)，價格不斷降低，這也是DSP芯片和超大規(guī)?？删幊唐骷l(fā)展迅速的主要因素之一。由于采用了大規(guī)模集成電路，數(shù)字系統(tǒng)體積小、重量輕、可靠性強(qiáng)。

4）可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的諸多功能數(shù)字信號可以存儲，數(shù)字系統(tǒng)可以進(jìn)行各種復(fù)雜的變換和運(yùn)算。這一優(yōu)點(diǎn)更加使數(shù)字信號處理不再僅僅限于對模擬系統(tǒng)的逼近，它可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的諸多功能。例如，電視系統(tǒng)中的畫中畫、多畫面以及各種視頻特技，包括畫面壓縮、畫面放大、畫面坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、演員特技制作；變聲變調(diào)的特殊的配音制作；解卷積；圖像信號的壓縮編碼；高級加密解密；數(shù)字濾波器嚴(yán)格的線性相位特性,等等。

4．?dāng)?shù)字信號處理涉及的理論、實(shí)現(xiàn)技術(shù)與應(yīng)用正是由于以上的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字信號處理的理論和技術(shù)一出現(xiàn)就受到人們的極大關(guān)注，發(fā)展非常迅速。國際上一般把1965年作為數(shù)字信號處理這一門新學(xué)科的開端，40多年以來，這門學(xué)科基本上形成了自己一套完整的理論體系，其中也包括各種快速的和優(yōu)良的算法。而且隨著各種電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理的理論和技術(shù)還在不斷豐富和完善，新的理論和新技術(shù)層出不窮。可以說，數(shù)字信號處理是發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛、成效最顯著的新學(xué)科之一，目前已廣泛地應(yīng)用在語音、雷達(dá)、聲納、地震、圖像、通信、控制、生物醫(yī)學(xué)、遙感遙測、地質(zhì)勘探、航空航天、故障檢測、自動化儀表等領(lǐng)域。數(shù)字信號處理涉及的內(nèi)容非常豐富廣泛。其所應(yīng)用的數(shù)學(xué)工具涉及微積分、隨機(jī)過程、高等代數(shù)、數(shù)值分析、復(fù)變函數(shù)、數(shù)值方法和各種變換等；數(shù)字信號處理的理論基礎(chǔ)包括網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等；數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)技術(shù)又涉及計算機(jī)、DSP技術(shù)、微電子技術(shù)、專用集成