数字信号处理课件数字信号分析-绪论.ppt
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1、数字信号分析(DigitalSignalAnalysis)绪论数字信号处理的发展计算机的诞生,为信号的数字处理提供了实现的可能,50年代前期的研究工作1965年FFT的提出,是DSP发展的里程碑离散变换的进展:65年FFT,70年余弦变换,80年代中期小波变换滤波器设计技术:IIR、FIR数字滤波器,多采样处理和滤波器组理论统计和自适应信号处理,阵列处理等器件和系统数字信号处理(Digital Signal Processing:DSP)教学的演变19691969年年RaderRader和和GoldGold第一本第一本DSPDSP书书19751975年年Oppenheim&SchaferOpp
2、enheim&Schafer第一本教科书,主要面向研第一本教科书,主要面向研究生究生19891989年年Oppenheim&SchaferOppenheim&Schafer的离散时间信号处理的离散时间信号处理(DiscreteTimeSignalProcessingDiscreteTimeSignalProcessing)出版,)出版,19991999年修订年修订版版我国也出版了大量我国也出版了大量DSPDSP教材教材内容的基本原理部分基本稳定,应用不断扩大内容的基本原理部分基本稳定,应用不断扩大从研究生进入本科生阶段,重要的专业基础课从研究生进入本科生阶段,重要的专业基础课教材和参考书课程教
3、材:课程教材:课程教材:课程教材:丁玉美、高西全丁玉美、高西全,数字信号处理(第二版),西安电子科技大学出数字信号处理(第二版),西安电子科技大学出版社版社,2005.,2005.主要参考教材:主要参考教材:主要参考教材:主要参考教材:(1)(1)程佩青著,数字信号处理教程(第三版),清华大学出版社程佩青著,数字信号处理教程(第三版),清华大学出版社,2007,2007(2)S.K.Mitra,DigitalSignalProcessing:AComputer-BasedApproach,(2)S.K.Mitra,DigitalSignalProcessing:AComputer-BasedA
4、pproach,ThirdEdition,Mcgraw-Hill,2001ThirdEdition,Mcgraw-Hill,2001(3)JohnG.Proakis,DimitrisG.Manolakis,DigitalSignalProcessing,(3)JohnG.Proakis,DimitrisG.Manolakis,DigitalSignalProcessing,Principles,Algorithms,andApplications,FourthEdition,PrenticeHall,2007Principles,Algorithms,andApplications,Fourt
5、hEdition,PrenticeHall,2007(4)JohnG.ProakisandVinayK.Ingle,DigitalSignalProcessingUsing(4)JohnG.ProakisandVinayK.Ingle,DigitalSignalProcessingUsingMATLAB,2003.MATLAB,2003.(5)(5)胡广书,数字信号处理:理论、算法与实现,清华大学出版社,胡广书,数字信号处理:理论、算法与实现,清华大学出版社,20032003DSP(Digital Signal Processing)是近几十年发展起来是近几十年发展起来的一门新兴学科。的一门新
6、兴学科。DSP是利用计算机或专用设备,以数值计算的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。一门学科。一、数字信号处理的基本概念一、数字信号处理的基本概念信号信号:信号是一个或多个独立变量的函数信号是一个或多个独立变量的函数,该函数含有物理系统的信息该函数含有物理系统的信息 或表示物理系统状态或行为。或表示物理系统状态或行为。(e.g.:i(t),v(t),g(x,y).独立变量独立变量:时间、距离、速度、位置、温度
7、和压力等时间、距离、速度、位置、温度和压力等 信号分类信号分类(1)按独立变量(自变量)分;按独立变量(自变量)分;(2)按信号取值定义值域(因变量)分。)按信号取值定义值域(因变量)分。按独立变量个数可分成按独立变量个数可分成:1-dimensional(1-D),2-D,to M-D.1-D 信号信号:单个独立变量的一维函数:单个独立变量的一维函数,e.g.语音信号。语音信号。2-D 信号信号:两个独立变量的二维函数:两个独立变量的二维函数,e.g.图象信号。图象信号。M-D 信号信号:多个独立变量的多维函数:多个独立变量的多维函数,e.g.彩色视频信号彩色视频信号(RGB)。波形波形:信
8、号幅度随独立变量变化的函数,通常信号幅度随独立变量变化的函数,通常1-D 信号的独立变量信号的独立变量 为时间。为时间。1.1.信号概述信号概述 按独立变量连续性分按独立变量连续性分:按独立变量定义域和信号值域可分成:按独立变量定义域和信号值域可分成:连续时间信号连续时间信号、模拟信号模拟信号、离离散时间信号散时间信号和和数字信号数字信号 CTS、AS、DTS和和DS (Continuous-Time SignalsAnalog Signals;Discrete-Time Signals Digital Signals).连续时间信号连续时间信号 (CTS)(CTS):独立时间变量连续有定义:
9、独立时间变量连续有定义(e.g.,x(t)。离散时间信号离散时间信号 (DTS)(DTS):独立时间变量在离散时间点有定义:独立时间变量在离散时间点有定义 x(nT)。模拟信号模拟信号 (AS)(AS):独立时间变量连续有定义,且信号幅值连续有定义。:独立时间变量连续有定义,且信号幅值连续有定义。数字信号数字信号 (DS)(DS):独立时间变量在离散时间点有定义、信号幅值仅:独立时间变量在离散时间点有定义、信号幅值仅 取离散值,且通常用二进制编码表示。取离散值,且通常用二进制编码表示。模拟信号和数字信号(AnalogSignal andDigital Signal)模拟信号:指幅度连续的信号,
10、通常指模拟信号:指幅度连续的信号,通常指时间和幅度上都是连续的信号。时间和幅度上都是连续的信号。数字信号:时间和幅度上都是离散的信数字信号:时间和幅度上都是离散的信号。号。x(t)tx(tn)tnx(n)n采样模数保持转换二、数字信号处理系统的基本二、数字信号处理系统的基本组成组成前置预滤波器A/D变换器数字信号处理器D/A变换器模拟滤波器模拟Xa(t)PrFADCDSPDACPoF模拟Ya(t)(1)(1)前置滤波器:将输入信号前置滤波器:将输入信号x xa a(t)(t)中高于某一频率中高于某一频率(称折叠频率,等于抽样频率的一半称折叠频率,等于抽样频率的一半)的分量加以滤的分量加以滤除。
11、除。(2)A/D(2)A/D变换器:由模拟信号产生一个二进制流。变换器:由模拟信号产生一个二进制流。在在A/DA/D变换器中每隔变换器中每隔T T秒秒(抽样周期抽样周期)取出一次取出一次x xa a(t)(t)的幅度,抽样后的信号称为离散信号。的幅度,抽样后的信号称为离散信号。(3)(3)数字信号处理器数字信号处理器(DSP)(DSP):按照预定要求,在处:按照预定要求,在处理器中将信号序列理器中将信号序列x(n)x(n)进行加工处理得到输出信进行加工处理得到输出信号号y(n).y(n).(4)D/A变换器:由一个进制流产生一个阶梯波形,是形成模拟信号的第一步。(5)后置滤波器:把阶梯波形平滑
12、成预期的模拟信号。以滤除掉不需要的高频分量,生成所需的模拟信号ya(t).数字信号处理实现方法1.采用大、中小型计算机和微机。2.用单片机。3.利用通用DSP芯片4.利用特殊用途的DSP芯片(1 1)采用大、中小型计算机和微机)采用大、中小型计算机和微机工作站和微机上各厂家的数字信号软件,如有各工作站和微机上各厂家的数字信号软件,如有各种图象压缩和解压软件。种图象压缩和解压软件。用这一方法优点:可适用于各种数字信号处理的用这一方法优点:可适用于各种数字信号处理的应用场合,很灵活。应用场合,很灵活。(2 2)用单片机)用单片机由于单片机发展已经很久,价格便宜,且功能很由于单片机发展已经很久,价格
13、便宜,且功能很强。强。优点:可根据不同环境配不同单片机,其能达实优点:可根据不同环境配不同单片机,其能达实时控制,但数据运算量不能太大。时控制,但数据运算量不能太大。(3)利用通用DSP芯片DSPDSP芯片较之单片机有着更为突出优点。芯片较之单片机有着更为突出优点。如内部带有乘法器,累加器,采用流水线工作如内部带有乘法器,累加器,采用流水线工作方式及并行结构,多总线速度快。配有适于信方式及并行结构,多总线速度快。配有适于信号处理的指令号处理的指令(如如FFTFFT指令指令)等。等。目前市场上的目前市场上的DSPDSP芯片有:芯片有:美国德州仪器公司美国德州仪器公司(TI):TMS320CX(T
14、I):TMS320CX系列系列 占有占有90%90%还有还有AT&TAT&T公司公司dsp16,dsp32dsp16,dsp32系列系列MotorolaMotorola公司的公司的dsp56x,dsp96xdsp56x,dsp96x系列系列ADAD公司的公司的ADSP21X,ADSP210XADSP21X,ADSP210X系列系列(4)利用特殊用途的DSP芯片市场上推出专门用于FFT,FIR滤波器,卷积、相关等专用数字芯片。如:BB公司:DF17XX系列MAXIM公司:MAXIM27X,MAXIM28XNational公司:National-SEMI系列:MF系列。其软件算法已在芯片内部用硬件
15、电路实现,使用者只需给出输入数据,可在输出端直接得到数据。1.信号的采集信号的采集 实现信号的数字化,包括取样、量化。实现信号的数字化,包括取样、量化。2.信号的分析信号的分析 信号描述与运算,各种变换,时、频域分析。信号描述与运算,各种变换,时、频域分析。3.系统分析系统分析 线性系统与非线性系统与非,时变系统与非,时变系统与非,线性时(移)不变系,线性时(移)不变系统,因果系统与非统,因果系统与非,线性时(移)不变因果系统。,线性时(移)不变因果系统。4.快速算法快速算法 FFT,快速卷积、相关算法。快速卷积、相关算法。5.数字滤波技术数字滤波技术(1)IIR数字滤波器的分析与设计;数字滤
16、波器的分析与设计;(2)FIR数字滤波器的分析与设计。数字滤波器的分析与设计。三、数字信号处理的学科概三、数字信号处理的学科概貌(研究内容)貌(研究内容)6.信号的频谱分析与估值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、确定信号:谱分析;随机信号:相关计算、谱估计。谱估计。7.特殊算法特殊算法 反卷积,信号重构。反卷积,信号重构。8.数字信号处理的实现数字信号处理的实现 (1)在通用微机上,用软件实现在通用微机上,用软件实现;(2)用单片机实现用单片机实现;(3)专用数字信号处理芯片专用数字信号处理芯片DSP。四、数字信号处理的特点四、数字信号处理的特点与模拟系统(ASP)相
17、比,数字系统具有如下特点:精度高可靠性灵活性大易于大规模集成时分复用可获得高性能指标二维与多维处理1.精度高在模拟系统中,它的精度是由元件决定,模拟元器件的精度很难达到10-3以上。而数字系统中,17位字长就可达10-5精度,所以在高精度系统中,有时只能采用数字系统。2.可靠性强数字系统:只有两个信号电平0,1受噪声及环境条件等影响小。模拟系统:各参数都有一定的温度系数,易受环境条件,如温度、振动、电磁感应等影响,产生杂散效应甚至振荡等且数字系统采用大规模集成电路,其故障率远远小于采用众多分立元件构成的模拟系统。3.灵活性大数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数,且系数存放于系数存储器内,只需
18、改变存储的系数,就可得到不同的系统,比改变模拟系统方便得多。4.易于大规模集成数字部件:高度规范性,便于大规模集成,大规数字部件:高度规范性,便于大规模集成,大规模生产,对电路参数要求不严,故产品成品率高。模生产,对电路参数要求不严,故产品成品率高。例:例:(尤其尤其)在低频信号:如地震波分析,需要过在低频信号:如地震波分析,需要过滤几滤几HzHz几十几十HzHz的信号,用模拟系统处理其电感的信号,用模拟系统处理其电感器、电容器的数值,体积,重量非常大,且性能器、电容器的数值,体积,重量非常大,且性能亦不能达到要求,而数字信号处理系统在这个频亦不能达到要求,而数字信号处理系统在这个频率处却非常
19、优越率处却非常优越(显示出体积,重量和性能的优点)显示出体积,重量和性能的优点)。5.时分复用利用利用DSPDSP同时处理几个通道的信号。同时处理几个通道的信号。某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙时间,某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙时间,因而在同步器的控制下,在此时间空隙中送入其他路的因而在同步器的控制下,在此时间空隙中送入其他路的信号,而各路信号则利用同一信号,而各路信号则利用同一DSPDSP,后者在同步器的控,后者在同步器的控制下,算完一路信号后,再算另一路信号,因而处理器制下,算完一路信号后,再算另一路信号,因而处理器运算速度越高,能处理的信道数目也就越多。运算速度越
20、高,能处理的信道数目也就越多。多路器DSP分路器同步123n123n6.可获得高性能指标例:对信号进行频谱分析模拟频谱仪在频率低端只能分析到10Hz以上频率,且难于做到高分辨率(也即足够窄的带宽)。但在数字的谱分析中,已能做到10-3Hz的谱分析。又例:有限长冲激响应数字滤波器,则可实现准确的线性相位特性,这在模拟系统中是很难达到的。7.二维与多维处理利用庞大的存储单元,可以存储一帧或数帧图象信号,实现二维甚至多维信号包括二维或多维滤波,二维及多维谱分析等。8.局限性数字系统的速度还不算高,因而不能处理很高频率的信号。(因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理)另外,数字系统的设计和结构复杂,价格较
21、高,对一些要求不高的应用来说,还不宜使用。五、数字信号处理的应用自20世纪60年代以来,数字信号处理的应用已成为一种明显的趋势,这与它突出优点分不开的。数字信号处理大致可分为:l l信号分析信号分析l l信号滤波信号滤波Speech SpectrogramSignalEnhancement(Speech)SignalEnhancement(Image)Speech Signal ProcessingPattern RecognizationFingerprintDistinguishDigital Camera Digital CameraHDTVHigh Definition TVDVD(D
22、igital Video Disc)Original speech Original speech DatasizeDatasize330,780330,780bytesbytes Compressed speech Compressed speech (GSM 6.10)(GSM 6.10)-SampledatSampledat22.050kHz22.050kHz,DatasizeDatasize16,89616,896 bytesbytes六、DSP技术的发展趋势DSPDSP技术的发展趋势,可用四个字技术的发展趋势,可用四个字“多快好省多快好省”来来概括。概括。1.1.多。可从广度和深度看
23、,广度是指多。可从广度和深度看,广度是指DSPDSP的型号越的型号越来越多。如来越多。如TMS320C2xTMS320C2x(控制)(控制)/5x/5x(低功耗)(低功耗)/6x/6x(高性能处理)(高性能处理).从深度讲是多从深度讲是多CPUCPU的糅合,一的糅合,一种多种多DSPDSP的糅合,一种的糅合,一种DSPDSP的核和其他事务性处理的核和其他事务性处理的核的糅合在一起如的核的糅合在一起如RMRM核。核。2.2.快。即运算的速度越来越快,指令速度越来越快,快。即运算的速度越来越快,指令速度越来越快,频率越来越高,功能越来越强。频率越来越高,功能越来越强。3.好。主要是指性能价格比。性
24、价比符合摩尔定律:每隔18个月,芯片的速度提高一倍,价格是原来的一半。这是由于半导体工艺的发展,使得成本降低引起的。4.省。功耗越来越低。正是由于DSP多快好省的发展,DSP的应用范围越来越宽。发展与挑战VLSIVLSI的发展,不断突破人们原有的预测,速度更快、功耗的发展,不断突破人们原有的预测,速度更快、功耗更低的数字集成电路使数字处理更加便捷。更低的数字集成电路使数字处理更加便捷。对于数字信号处理,专用对于数字信号处理,专用DSPDSP处理器,已成为最重要的嵌处理器,已成为最重要的嵌入式系统的处理核心。入式系统的处理核心。模拟与数字系统是构成完整信息处理系统均不可缺少的单模拟与数字系统是构
25、成完整信息处理系统均不可缺少的单元,趋势是:核心处理部分采用数字处理,外围接口仍采元,趋势是:核心处理部分采用数字处理,外围接口仍采用模拟系统。用模拟系统。随着软件无线电、软件雷达等技术进展,越来越多功能采随着软件无线电、软件雷达等技术进展,越来越多功能采用用DSPDSP实现,但仍不可能完全抛弃模拟系统,有些专用功实现,但仍不可能完全抛弃模拟系统,有些专用功能还是仅用模拟系统实现。能还是仅用模拟系统实现。Matlab介绍Matlab简介Matlab的安装与启动Matlab编程基础一一.Matlab 简介简介MatlabMatlab名字是由名字是由MatrixMatrix和和Laboratory
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