《數(shù)字信號(hào)處理教程》課件 第四版 緒論

《數(shù)字信號(hào)處理》DigitalSignalProcessing

教師：張水鋒電話mail:1565458403@7/23/20241目錄緒論離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)離散時(shí)間與系統(tǒng)的變換域分析離散傅立葉變換及其快速算法數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理中的有限字長效應(yīng)MATLAB及其在信號(hào)處理中的應(yīng)用7/23/20242緒論重點(diǎn)：數(shù)字信號(hào)處理過程數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法難點(diǎn)：數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法7/23/20243內(nèi)容一.引言二.信號(hào)的分類三.數(shù)字信號(hào)處理研究的內(nèi)容四.數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科研究的范圍及發(fā)展?fàn)顩r五.數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的典型框圖六. 數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)七.本課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法八.參考書籍九.數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用7/23/20244一、引言數(shù)字信號(hào)處理（DigitalSignalProcessing，簡稱DSP）DSP技術(shù)-

DigitalSignalProcessor理論-->應(yīng)用7/23/202451、基本概念數(shù)字信號(hào)處理用數(shù)字的方式對數(shù)字形式的信號(hào)進(jìn)行處理數(shù)字信號(hào)數(shù)字方式DSP狹義：DSP處理器廣義：數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)7/23/202462、本課程性質(zhì)電子信息類專業(yè)大學(xué)本科的必修課程電子信息專業(yè)核心課程DSP(理論、實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用)單片機(jī)|嵌入系統(tǒng)FPAG|CPLD：

ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit）7/23/20247數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點(diǎn)：

（1）在一個(gè)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(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)；

（3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)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(gè)硬件地址產(chǎn)生器；

（7）可以并行執(zhí)行多個(gè)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。

當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。7/23/20248單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。

特點(diǎn)：具有位處理、控制功能強(qiáng)7/23/20249與單片機(jī)相比，DSP器件具有較高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存儲(chǔ)器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器。提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口。有的片內(nèi)集成了A/D和采樣/保持電路，可提供PWM輸出。DSP器件采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強(qiáng)的多級(jí)流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。DSP器件比16位單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快8～10倍，完成一次乘加運(yùn)算快16～30倍。DSP器件還提供了高度專業(yè)化的指令集，提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運(yùn)算速度。7/23/202410目前國內(nèi)推廣應(yīng)用最為廣泛的DSP器件是美國德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的TMS320系列單片機(jī)：MCS51、ARV(atmel公司)、Motorola（Freescale飛思卡爾）、PIC單片機(jī)、Philips

、MSP430、凌陽單片機(jī)、PSD單片機(jī)（WSI公司）、Winbond嵌入系統(tǒng)：ARM、Freescale（飛思卡爾）：ColdFire

、MPC、PowerPCPC104WinCE

、VxWorks

、pSOS、QNX、Nucleus、嵌入式Linux(μClinux

、RTLiinux)、μC/OS-II、eCos

7/23/202411CPLD/FPGA

ALTERA、Xilinx、Lattice、Actel、Cypress

、Quicklogic

、ATMEL

、WSI

其中ALTERA和XILINX占有了60%以上的市場份額。

7/23/202412二、信號(hào)的分類1、物理分類：7/23/2024132、數(shù)學(xué)分類：確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)線性與非線性信號(hào)7/23/202414三、《數(shù)字信號(hào)處理》研究的內(nèi)容與實(shí)現(xiàn)方法

1．研究內(nèi)容用數(shù)學(xué)的方法和數(shù)字系統(tǒng)對信號(hào)進(jìn)行處理，包括兩個(gè)方面：①信號(hào)處理的數(shù)學(xué)模型一各種算法，誤差分析；②算法的實(shí)現(xiàn)。7/23/2024152、數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法(1)采用大、中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī)（如PC機(jī)），用軟件實(shí)現(xiàn)；(2)在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)；(3)用單片機(jī)

(4)利用通用DSP芯片，如：TI(美國德州)TMS32C00。(5)用專用的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。(6)用可編程器件CPLD/FPGA7/23/202416四.數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科研究的范圍及發(fā)展?fàn)顩r研究范圍①離散時(shí)間線性時(shí)不變系統(tǒng)理論〔包括時(shí)域頻域及各種變換〕②頻譜分析(包括有限字長效應(yīng))：FFT譜分析方法及統(tǒng)計(jì)分析方法③數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及濾波過程的實(shí)現(xiàn)(包括有限字長效應(yīng))④時(shí)頻-信號(hào)分析⑤多維信號(hào)處理[壓縮與編碼及其在多媒體中的應(yīng)用]⑥非線性信號(hào)處理⑦隨機(jī)信號(hào)處理⑧模式識(shí)別人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)⑨信號(hào)處理單片機(jī)(DSP)及各種專用芯片(ASIC)，信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)7/23/202417發(fā)展歷史：1．理論基礎(chǔ)（經(jīng)典數(shù)值計(jì)算or計(jì)算數(shù)學(xué)）：2．DSP獨(dú)立學(xué)科的形成3．FFT對DSP迅速發(fā)展起了極大的推動(dòng)作用：4．?dāng)?shù)字濾波器（DigitalFilter）設(shè)計(jì)方法的研究是DSP迅速發(fā)展的另一個(gè)標(biāo)志；有限沖擊響應(yīng)（FIR－FiniteImpulseResponse）；無限沖擊響應(yīng)（IIR－InfiniteImpulseResponse）；5．計(jì)算機(jī)技術(shù)和專用DSP芯片的快速發(fā)展反過來促進(jìn)了DSP理論研究的迅速發(fā)展。通用微處理器結(jié)構(gòu)：馮.諾依曼結(jié)構(gòu)；DSP芯片：哈佛結(jié)構(gòu)（指令并發(fā)和流水線技術(shù)）；代表產(chǎn)品：TI公司的TMS320CXXX系列產(chǎn)品。7/23/202418五.數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的典型框圖

7/23/202419數(shù)字信號(hào)處理過程預(yù)處理A/D數(shù)字信號(hào)處理器D/ALPF7/23/202420六、數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)1．精度高；2．可控性好，靈活性好；3．穩(wěn)定性好，可靠性高；4．容易大規(guī)模集成；5．容易時(shí)分復(fù)用；6．可重復(fù)性好，容易獲得高性能指標(biāo)；7．可進(jìn)行二維和多維處理。7/23/202421七、本課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法

基本內(nèi)容：1、離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析方法；2、變換域分析方法，包括Z變換，頻域分析；3、離散傅立葉變換與快速算法及其應(yīng)用；4、數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法及其結(jié)構(gòu)；5、IIR與FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法；6、數(shù)字信號(hào)處理中的有限字長效應(yīng)；7/23/202422學(xué)習(xí)方法在以弄清基本概念、理論的基礎(chǔ)上，配合適當(dāng)練習(xí)，并結(jié)合上機(jī)實(shí)驗(yàn)理解理論知識(shí)。實(shí)驗(yàn)：

DSP軟件平臺(tái)：MATLAB6.1、MATLAB6.5、MATLAB7.0、MATLAB7.1本課程的前修課程1．高等數(shù)學(xué)；2．復(fù)變函數(shù)；3．信號(hào)與系統(tǒng)；4．微機(jī)原理（計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)等）。后續(xù)課程數(shù)字圖像處理模式識(shí)別7/23/202423八、參考書籍1.《數(shù)字信號(hào)處理》程佩青，清華大學(xué)出版社2.《數(shù)字信號(hào)處理》（第二版），丁玉美，高西全編著，西安電子科技大學(xué)出版社；3.《數(shù)字信號(hào)處理---理論、算法與實(shí)現(xiàn)》，胡廣書，清華大學(xué)出版社。4.《數(shù)字信號(hào)處理》，王世一，北京理工大學(xué)出版社；

5.《基于Matlab的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)--信號(hào)處理》，樓順天，李博菡編著，西安電子科大出版社。6.《DigitalSignalProcessing》A.V.Oppenheim&R.W.Schaffer；Prentice-Hall,INC.1975。中譯本：《數(shù)字信號(hào)處理》，A.V.奧本海姆，R.W.謝弗著；董士嘉，楊耀增譯，科學(xué)出版社，1980。7/23/202424九、數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用

通信計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)自動(dòng)控制地球物理聲學(xué)天文生物醫(yī)學(xué)消費(fèi)電子產(chǎn)品7/23/2024251、通信手機(jī)

7/23/2024267/23/2024272、數(shù)字無線電

7/23/2024283、雷達(dá)7/23/2024294、生物指紋系統(tǒng)

7/23/2024305、DSP在圖像擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的應(yīng)用框圖7/23/2024316、數(shù)字語音

7/23/2024327、汽車多媒體7/23/20243