1、数字信号处理,2006.11,信息与控制工程学院 电子信息工程系, 信号和系统概念 什么是DSP？ DSP的理论、实现、应用 关于本课的教学,内容: 信号定义 信号分类 典型信号 信号处理 离散时间信号处理（DTSP）和数字信号处理（DSP） DSP的优点 DSP的应用 本课程概要,绪 论,DSP(Digital Signal Processing)是近几十年发展起来的一门新兴学科。DSP是利用计算机或专用设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值、识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的的一门学科。,一、数字信号处理的基本概念,信号: 信号是一个或多个独立变量的函数, 该
2、函数含有物理系统的信息 或表示物理系统状态或行为。(e.g.: i(t),v(t),g(x,y).独立变量: 时间、距离、速度、位置、温度和压力等 信号分类（1）按独立变量（自变量）分；（2）按信号取值定义值域（因变量）分。按独立变量个数可分成：1-dimensional (1-D) , 2-D, to M-D. 按独立变量定义域和信号值域可分成：连续时间信号、模拟信号、离散时间信号和数字信号 CTS、AS、DTS和DS（ Continuous-Time SignalsAnalog Signals; Discrete-Time Signals Digital Signals）.,1.信号概述,
3、按独立变量个数分： 1-D 信号：单个独立变量的一维函数, e.g. 语音信号。2-D 信号：两个独立变量的二维函数, e.g. 图象信号。M-D 信号：多个独立变量的多维函数, e.g. 彩色视频信号(RGB) 。波形: 信号幅度随独立变量变化的函数，通常1-D 信号的独立变量为时间。按独立变量连续性分： 连续时间信号 (CTS) ：独立时间变量连续有定义 (e.g.,x(t) )。离散时间信号 (DTS) ：独立时间变量在离散时间点有定义 x(nT)。模拟信号 (AS) ：独立时间变量连续有定义，且信号幅值连续有定义。数字信号 (DS) ：独立时间变量在离散时间点有定义、信号幅值仅取离散值
4、，且通常用二进制编码表示。,信号类型,1. 连续时间信号：CTS(Continuous Time Signal/Analog Signal )x(t),2. 离散时间信号：DTS (Discrete Time Signal/Sequence) xn,（在离散时间点上取值）,信号举例,1. 信号的采集实现信号的数字化，包括取样、量化。 2. 信号的分析信号描述与运算，各种变换，时、频域分析。 3. 系统分析线性系统与非，时变系统与非，线性时（移）不变系统，因果系统与非，线性时（移）不变因果系统。 4. 快速算法FFT, 快速卷积、相关算法。 5. 数字滤波技术 (1) IIR数字滤波器的分析与设
5、计； (2) FIR数字滤波器的分析与设计。,2.数字信号处理的学科概貌（研究内容）,6. 信号的频谱分析与估值确定信号：谱分析；随机信号：相关计算、谱估计。 7. 特殊算法反卷积，信号重构。 8. 数字信号处理的实现(1) 在通用微机上，用软件实现;(2) 用单片机实现;(3) 专用数字信号处理芯片DSP。,2.数字信号处理的学科概貌（研究内容）,3.数字信号处理系统的基本组成,前置预滤波器,A/D变换器,数字信号处理器,D/A变换器,模拟滤波器,y(n),y(t),掌握离散时间信号与系统的概念和基本理论；掌握离散时间信号的基本分析方法；能够设计和实现数字滤波器；能够应用数字信号处理的基本理
6、论和方法,解决一些实际问题；了解数字信号处理技术的最新进展，为今后从事该领域的工作 打下良好的基础。,教学目标,教材及参考书,数字信号处理教程，程佩青，清华大学出版社 数字信号处理理论、算法与实现（第二版），胡广书，清华大学出版社 数字信号处理（第2版），俞卞章，西北工业大学出版社 A.V.奥本海姆，R.W.谢弗著，黄建国等译，离散时间信号处理，科学出版社 数字信号处理使用MATLAB，刘树棠，西安交通大学出版社,教学方式：课堂讲授、研究讨论、实验 考核方式：作业及实验： 20%闭卷笔试： 80%,教学、考核方式,实例： 时间序列 (stock indices, production, mea
7、surements) 连续时间采样信号 (Speech) ECG(Electrocardiograph 心电图) 和 EEG(Electroencephalo-graph脑电图描记器 ) 信号(1-D) 地质勘探信号(3-D) 音乐信号(1-D) 图像 (2-D, 3-D) Diesel Engine Signal (1-D),二、实际应用中的DTS信号,股票指数：,人口统计：,DTS 例子 (I),温度测量：,DTS 例子(II),连续信号的离散化：,DTS 例子(III),信号处理：主要讨论信号及所含信息的表示、变换和处理 。 （ representation, transformatio
8、n, and manipulation ）DT系统两种实现方式: 软件算法和DSP硬件。 信号表示：时域和频域表示； 信号变换：离散时间Fourier变换（DTFT）、离散Fourier变换 （DFT）和 z变换， 以及变换的快速算法（FFT）。 信号处理：滤波、压缩、调制及解调和信号分析。 信号运算：延迟、加、减、乘和卷积。,三、信号处理,典型的DT滤波系统的理想特性：,Low-Pass Filter 低通滤波器 High-Pass Filter 高通滤波器 Band-Pass Filter 带通滤波器,信号处理 (II),关系: Continuous Time Signal (CTS) 采
9、样 Discrete Time Signal (DTS) 量化 Digital Signal (DS).,理由:(1)目前最常用功能最强的信号处理器件是数字形式的；目前信号处理的通常形式是对连续信号的离散处理。,四、为什么要研究离散时间信号处理（DTSP）,幅值离散化,幅值未离散化,为什么要研究离散时间信号处理（II）,优点：(1) Robustness(鲁捧性，抗噪性强)；(2) 便于存储；(3) 便于调节和 数字自适应处理；(4) 便于相互联接，没负载问题；(5) 便于与计算机接口，实现智能化处理；(6) 器件容易共享；(7) 便于批量生产。缺点：(1) 增加复杂性（e.g.:A/D和D/
10、A）；(2) 工作频率受限。,五、DSP的优越性,滤波选频滤波 e.g.:多正弦信号：,六、DSP的应用,2. 语音处理,均衡;编码与压缩多声道模拟、混响效果,应用：语音处理,3. 信号预测,应用：信号预测,4. 语音传输,应用：信号传送(I),5. 图象处理: 边沿检测,应用：图象处理（I）,边沿检测原理：边沿信号xn: 边沿检测滤波器hn:,应用：图象处理（II）,应用：DSP Solution,应用：Mobile phone,应用：The handset is not only used for voice communication,应用：ADSL (Asymmetric Digita
11、l Subscriber Line),应用：Digital Camera,应用：HDTV-High Definition TV,应用：PDP (Plasma Display) TV,应用：Home Theater,应用：DVD(Digital Video Disc),应用：Simulator of airplane,应用：GPS(Global Position System),应用：Radar/Sonar,应用：Cruise missile & Smart bomb,应用：Pattern recognition,应用：Fingerprint distinguish,七、信号分析基本方法,（1）DSP的实现：A/D，D/A，DSP器件等； （2）数字系统的设计与实现：,（3）信号处理的实现、快速算法、系统效率与稳定性。,近似,硬件或软件结构,八、系统实现问题,课程内容纲要,
