《數(shù)字信號(hào)處理》課件-第0章

0.1數(shù)字信號(hào)處理概述

0.2數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)

1.數(shù)字信號(hào)處理的定義

數(shù)字信號(hào)處理是研究如何用數(shù)字或符號(hào)序列來表示信號(hào)以及對(duì)這些序列做處理的一門學(xué)科，即對(duì)含有信息的信號(hào)進(jìn)行處理，以提取人們所希望得到的信息。0.1數(shù)字信號(hào)處理概述

2.數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的組成

數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是多種多樣的，但對(duì)于一般系統(tǒng)，其組成框圖如圖0.1.1所示。模擬信號(hào)通過前置預(yù)濾波器濾除高頻成分，輸出xa(t)。隨后在模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的取樣器中每隔時(shí)間T(取樣周期)取出一次當(dāng)前輸入信號(hào)的幅度，按照量化電平，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，得到數(shù)字信號(hào)x(n)。x(n)通過數(shù)字信號(hào)處理器，得到輸出的數(shù)字信號(hào)y(n)。y(n)通過數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器變成模擬信號(hào)y(t)，最后通過一個(gè)模擬低通濾波器，濾除不需要的高頻成分，平滑成所需的模擬信號(hào)ya(t)。圖0.1.1數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)組成框圖各部分的輸出波形如圖0.1.2所示。

實(shí)際數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)并不一定要包括圖0.1.1中所示的所有框圖，如系統(tǒng)只需要數(shù)字輸出，則可以直接以數(shù)字形式顯示或打印，就不需要D/A變換器和輸出濾波;如系統(tǒng)輸入

為數(shù)字量，就不需要A/D變換器;如系統(tǒng)的輸入、輸出均是數(shù)字量，則只需要數(shù)字處理器這一核心部分即可。圖0.1.2數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)各部分的輸出波形

3.數(shù)字信號(hào)處理的基本內(nèi)容

數(shù)字信號(hào)處理主要涵蓋以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

(1)信號(hào)的采集：A/D轉(zhuǎn)換、采樣定理、多速率信號(hào)處理、量化誤差分析、非等間隔采樣等。

(2)離散時(shí)間信號(hào)分析：時(shí)域及頻域的分析、各種變換技術(shù)、信號(hào)特征的描述等。

(3)離散時(shí)間線性時(shí)不變(LTI，LinearTimeInvariant)系統(tǒng)描述：因果穩(wěn)定、系統(tǒng)單位脈沖響應(yīng)h(n)，系統(tǒng)函數(shù)H(z)，系統(tǒng)頻率響應(yīng)H(ejω)等。

(4)信號(hào)處理中的快速算法及其實(shí)現(xiàn)：FFT、卷積與相關(guān)等。

(5)濾波技術(shù)：IIR(無限脈沖響應(yīng))、FIR(有限脈沖響應(yīng))數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

(6)信號(hào)處理中的特殊算法：信號(hào)的抽取、插值，反卷積，基于幅度譜和相位譜的信號(hào)重構(gòu)技術(shù)等。

(7)信號(hào)的估值：各種估值理論、相關(guān)函數(shù)與功率譜估計(jì)等。

(8)信號(hào)的建模：最常用的有AR(自回歸)、MA(移動(dòng)平均)、ARMA(自回歸-移動(dòng)平均)等模型。

(9)通信信號(hào)處理：信號(hào)的設(shè)計(jì)、信道檢測(cè)與估計(jì)、信道均衡、OFDM(正交頻分復(fù)用)、MIMO(多輸入多輸出)、

數(shù)字復(fù)用與分集技術(shù)、智能天線等。

(10)非線性信號(hào)處理：盲信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RLS(遞歸最小平方)算法、LMS(最小均方)算法等。

(11)信號(hào)處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用。

數(shù)字信號(hào)處理的理論、算法和實(shí)現(xiàn)方法之間是密不可分的。將一個(gè)好的信號(hào)處理理論應(yīng)用于工程實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的算法，以便使信號(hào)處理高速高效，并使實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行。

4.數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)字信號(hào)處理的最終目的是能夠?qū)⒀芯砍墒斓乃惴☉?yīng)用于實(shí)際當(dāng)中。算法的實(shí)現(xiàn)通常有兩種，即軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)，它們各自有著不同的應(yīng)用環(huán)境。

軟件實(shí)現(xiàn)主要是指在通用計(jì)算機(jī)上調(diào)用一些通用的軟件包或者自己編程來實(shí)現(xiàn)某些數(shù)字信號(hào)處理算法。軟件實(shí)現(xiàn)方式速度慢，一般不能做到實(shí)時(shí)處理，因此主要應(yīng)用于教學(xué)、科學(xué)研究和一些非實(shí)時(shí)處理場(chǎng)合。目前，有關(guān)信號(hào)處理的典型軟件工具是Matlab

相關(guān)軟件包，其中與數(shù)字信號(hào)處理有關(guān)的工具箱有

SignalProcessingToolbox(信號(hào)處理工具箱)、

FilterDesignToolbox(濾波器設(shè)計(jì)工具箱)、

WaveletToolbox(小波工具箱)、

ImageProcessingToolbox(圖像處理工具箱)、

HighOrderSpectralAnalysisToolbox(高階譜分析工具箱)和

CommunicationToolbox(通信工具箱)等。

Matlab提供了一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算環(huán)境和數(shù)據(jù)可視化軟件平臺(tái)，絕大多數(shù)數(shù)字信號(hào)處理算法都可以很方便地在該環(huán)境下得到理論驗(yàn)證和仿真。

數(shù)字信號(hào)處理的另一種實(shí)現(xiàn)方法則是基于特定的硬件，如DSP芯片、可現(xiàn)場(chǎng)編程門陣列FPGA等。硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)是速度快、專用性強(qiáng)，一般能夠?qū)崟r(shí)處理。目前市場(chǎng)上的DSP芯片以TI和ADI兩大公司的產(chǎn)品為主。ADI公司2004年最新推出TigerSHARC系列的TS201，其主頻達(dá)到了600MHz，處理能力為3.6GFLOPS(每秒109次浮點(diǎn)運(yùn)算)，是當(dāng)前處理能力最強(qiáng)的浮點(diǎn)DSP芯片之一。TI公司2004年初推出的C64系列的TMS320C6416是目前少數(shù)主頻能突破1GHz的DSP芯片之一，其定點(diǎn)處理能力達(dá)到了8000MIPS。表0.1.1中通過典型的技術(shù)指標(biāo)，比較了目前兩大公司浮點(diǎn)DSP芯片的技術(shù)性能和發(fā)展趨勢(shì)。

從表中可以得出以下結(jié)論：

(1)ADI的DSP芯片具有出色的浮點(diǎn)處理能力，由于內(nèi)部存儲(chǔ)空間大并且有內(nèi)部總線仲裁，因此具有獨(dú)特的多DSP互連能力(總線直接互連和Link口互連)，使它們被稱為“多DSP

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)”。該公司的浮點(diǎn)芯片多用于雷達(dá)、聲納和陣列等信號(hào)處理系統(tǒng)。

(2)TI公司的DSP芯片則更注重單片的處理能力，在民用高端市場(chǎng)占有很大份額。

(3)DSP芯片的發(fā)展趨勢(shì)是向速度更快、集成度更高的方向發(fā)展。表0.1.1ADI和TI公司浮點(diǎn)DSP的技術(shù)指標(biāo)比較數(shù)字信號(hào)處理采用數(shù)字系統(tǒng)完成信號(hào)處理的任務(wù)，它具有數(shù)字系統(tǒng)的一些共同優(yōu)點(diǎn)，例如抗干擾、可靠性強(qiáng)、便于大規(guī)模集成等。除此之外，與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理方法相比

較，數(shù)字信號(hào)處理還具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

(1)精度高。

在模擬系統(tǒng)中，系統(tǒng)的精度是由元器件決定的，模擬元器件的精度很難達(dá)到10-3以上。而在數(shù)字系統(tǒng)中，計(jì)算精度可以隨運(yùn)算位數(shù)的增加而得到顯著的改善，例如17位字長(zhǎng)就可達(dá)10-5精度。所以在高精度系統(tǒng)中，有時(shí)只能采用數(shù)字系統(tǒng)。0.2數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)

(2)可靠性高。

模擬系統(tǒng)中各元器件都有一定的溫度系數(shù)，易受環(huán)境條件，如溫度、振動(dòng)、電磁感應(yīng)等影響，產(chǎn)生雜散效應(yīng)甚至振蕩等。而數(shù)字系統(tǒng)只有兩個(gè)信號(hào)電平0、1，受噪聲及環(huán)境條

件等影響小，且數(shù)字系統(tǒng)采用大規(guī)模集成電路，其故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用眾多分立元器件構(gòu)成的模擬系統(tǒng)。

(3)靈活性大。

數(shù)字系統(tǒng)的性能主要取決于各乘法器的系數(shù)，而這些系數(shù)存放于系數(shù)存儲(chǔ)器內(nèi)，只需對(duì)這些存儲(chǔ)器輸入不同的數(shù)據(jù)，就可以改變系統(tǒng)參數(shù)從而得到不同性能的系統(tǒng)。另外，數(shù)字系統(tǒng)可以時(shí)分復(fù)用，即用一套數(shù)字系統(tǒng)可以分時(shí)處理多路信號(hào)。如圖0.2.1所示，由于信號(hào)的相鄰兩采樣點(diǎn)之間存在著時(shí)間空隙，因而在同步器的控制下，系統(tǒng)對(duì)各路信號(hào)分別進(jìn)行處理，最后通過分路器將輸出序列分離輸出。顯而易見，系統(tǒng)運(yùn)算速度越高，能處理的信道數(shù)目也就越多。圖0.2.1時(shí)分復(fù)用的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)

(4)可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜處理功能。

模擬系統(tǒng)只能對(duì)信號(hào)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的處理，例如放大、濾波以及經(jīng)典的調(diào)制與解調(diào)等。

而數(shù)字系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)諸如解卷積、嚴(yán)格的線性相位、復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)的任意存取等各種復(fù)雜的處理與變換，如電視系統(tǒng)中的多畫面、各種特技效果、特殊的音響和配音效果等。

(5)易于大規(guī)模集成。

由于數(shù)字系統(tǒng)對(duì)電路參數(shù)的要求不嚴(yán)，故產(chǎn)品成品率高。另外，組成系統(tǒng)的基本單元和基本模塊具有高度的一致性和規(guī)范性，便于大規(guī)模集成、生產(chǎn)，從而使數(shù)字系統(tǒng)體積小、重量輕、性能價(jià)格比高。

(6)便于加、解密。

目前信息安全要求越來越高，加、解密算法越來越復(fù)雜，而只有數(shù)字處理才可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的加、解密算法。

數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但它也有局限性，如受采樣頻率必須滿足奈奎斯特準(zhǔn)則的限制，數(shù)字系統(tǒng)還不能實(shí)時(shí)處理頻率很高的信號(hào)。但是，隨著大規(guī)