数字信号处理 课件 0绪论

2022/10/23
通院 信息科学研究所
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0.3 数字信号处理的优点（2）
2、精确性：
模拟系统：精确性依元器件不同而有所差异。 数字系统：精度由机器字长，算法等决定。 例如，求对数运算，数字运算精度可任意高，
而对于模拟电路，1%的精度就很难达到。
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信号举例 （4）
黑白照片
• Represents light intensity as a function of two spatial coordinates
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信号举例 （5）
视频信号 Video signals
处 理
时
采
x(n)
域 离
散
样
系
统
y(n) 平 y(t) 滑 滤
波
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2. 数字信号处理的基 本内容
1.模拟信号的预处理
预滤波和前置滤波 作用：滤除输入模拟信号中的无用频率成
分和噪声，避免采样后发生的频谱混叠失 真 为了满足采样定理的要求。
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数字信号处理
绪论
主要内容
信号的特征 信号的分类 数字信号处理的基本内容 数字信号处理的实现方法 数字信号处理的优点
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信号
信号是信息的载体。通过信号传递信息。
信号我们并不陌生，如刚才铃声—声信号，表 示该上课了；
十字路口的红绿灯—光信号，指挥交通； 电视机天线接受的电视信息—电信号； 广告牌上的文字、图象信号等等。

特点
数字信号处理具有精度高、稳定性好、灵活性大、易于实现和可重复性好等优 点。它克服了模拟信号处理系统中的一些限制，如噪声、漂移和温度变化等。
数字信号处理的重要性
数字信号处理是现代通信、雷达、声 呐、语音、图像、控制、生物医学工 程等领域中不可或缺的关键技术之一 。
随着数字技术的不断发展，数字信号 处理的应用范围越来越广泛，已经成 为现代信息处理技术的重要支柱之一 。
04 数字信号变换技术
CHAPTER
离散余弦变换
总结词
离散余弦变换（DCT）是一种将离散信号变换到余弦函数基 的线性变换。
详细描述
DCT被广泛应用于图像和视频压缩标准，如JPEG和MPEG， 因为它能够有效地去除信号中的冗余，从而减小数据量。 DCT通过将信号分解为一系列余弦函数的和来工作，这些余 弦函数具有不同的大小和频率。
雷达信号处理
雷达目标检测
利用数字信号处理技术对雷达回 波数据进行处理和分析，实现雷 达目标检测和跟踪。
雷达测距和测速
通过数字信号处理技术，对雷达 回波数据进行处理和分析，实现 雷达测距和测速。
雷达干扰抑制
利用数字信号处理技术对雷达接 收到的干扰信号进行抑制和滤除 ，提高雷达的抗干扰能力。
谢谢
THANKS
《数字信号处理经典》ppt课 件
目录
CONTENTS
• 数字信号处理概述 • 数字信号处理基础知识 • 数字滤波器设计 • 数字信号变换技术 • 数字信号处理的应用实例
01 数字信号处理概述
CHAPTER
定义与特点
定义
数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及信号的获 取、表示、变换、分析和综合的理论和技术。它以数字计算为基础，利用数字 计算机或其他数字硬件来实现信号处理的方法。

DSP技术已成为人们日益关注的并
得到迅速发展的前沿技术
1. 数字信号处理的任务
任务：从信号中提取出所需要的信息，并将其用于
实际 。
例：
心电监护仪： 内含CPU
用于危重病房（intensive care unit，ICU）的心电 自动监护仪的作用是监护病人的心电状态（同时也包 括其他生理参数，如血压、呼吸等），它应能实时地 显示和存储病人的心电波形，并根据心电图的异常来 自动决定是否给出报警。一个实际的心电监护仪由心 电放大器、A/D 转换器、CPU、显示单元、存储单元、 系统管理软件和心电信号处理软件所组成。
Why digital?
（3）Stability
Analog system：the characteristics of analog
system components, resistors, capacitors and operational amplifiers will change along with temperature, humidity
processor speed.
We still need analog processing
（2）Processing very high frequency signals
Analog system：may process microwave, minimeter-wave, even light wave signals.
生物医学工程
Ultrasound
CT (Computed Tomography)
MRI(Magnetic Resonance Imaging)
Gamma knife
Hearing Aid
Why digital?

模拟高通滤波器与数字高通滤波器的比较
c
x(n)
y (n)
xa (t)
R ya (t)
延时
a
信号处理的实现方法
基本上分为两种方法，一种是软件实现方法，另一种是 硬件实现方法。软件实现方法指的是按照原理和算法，自己 编写程序或者采用现成的程序在通用计算机上实现。硬件实 现指的是按照具体的要求和算法，设计硬件结构图，用乘法 器、加法器、延时器、控制器、存储器以及输入输出接口部 件实现的一种方法。前者灵活，但速度慢，达不到实时处理 要求；后者速度快，但是不够灵活。
模拟 y(t)
转换器
信号
转换器 滤波器
处理器
（1）前置滤波器
将输入信号xa(t)中高于某一频率(称折叠频率，等 于抽样频率的一半)的分量加以滤除。
（2）A/D转换器
由模拟信号产生一个二进制流。在A/D变换器中 每隔T秒(抽样周期)取出一次xa(t)的幅度，抽样后的信 号称为离散信号。
（3）数字信号处理器(DSP)
▪ 直方图是这样一张二维的坐标系，其横轴代表的是 图像中的亮度，由左向右，从全黑逐渐过渡到全白； 纵轴代表的则是图像中处于这个亮度范围的像素的 相对数量。当直方图中的黑色色块偏向于左边时， 说明这张照片的整体色调偏暗，也可以理解为照片 欠曝。而当黑色色块集中在右边时，说明这张照片 整体色调偏亮，除非是特殊构图需要，否则我们可 以理解为照片过曝。
▪ 雷达系统主要信号处理功能包括： ▪ 信号产生、匹配滤波、门限比较、目标参数(如射程、
方位和速度)估计。
雷达
通信
▪ 整个通信领域几乎没有不受数字信号处理技术影响 的地方。(占60%）
▪ DSP主要应用于通信的热门产品中。如：蜂窝电话 （Cellular phone)、ADSL调制解调器、线缆调制解 调器(Cable modem)、蓝牙技术(bluetooth)产品， 数字电话应答机（digital telephone answering device)、全球定位系统（global positioning system,GPS），卫星电话(satellite phone)、电话 会议(conference speaker phone)、电视电话会议编 译码器(video conferencing code )、IP电话(voice over IP)、IP传真(fax over IP)、ATM电话(voice over ATM)、智能天线(smart antenna)、PCS用户端 (subscriber set)。

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三.自相关函数与 自协方差函数的性质
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性质1 :相关函数与协方差函数的关系
Cxx m rxx m mx 2
Cxy m rxy m m*xmy
当 mx 0
Cxx m rxx m Cxy m rxy m
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性质2：均方值、方差与相关函数和协方差函数
rxx
0
E
xn
2
Cxx 0 rxx 0 mx 2
五、功率谱密度
44
维纳——辛钦定理
1． 复频域
rxx
(m)
1
2
j
c Sxx (z)zm1dz,
Sxx
(z)
m
rxx
(m)z
m
C (Rx , Rx )
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2. 频域
{ rxx(m)
1
2
Pxx (e j )e jm d
2
Pxx (e j ) rxx (m)e jm
m
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3．性质
实平稳随机信号 rxx m rxx m
rxx m E x x n1 n1m
x1x2 p x1 , x2 ; m dx1dx2
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自协方差函数
Cxx (m) E (xn1 mx )*(xn2 mx ) E (xn1 mx )*(xn1m mx )
rxx m mx 2
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对于均值为零的随机过程 rxx m Cxx m
①偶函数
Pxx e j Pxx e j
②实函数
Pxx e j Pxx e j
③极点互为倒数出现
Sxx
z
Sxx
1 z
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④功率谱在单位圆上的积分等于平均功率
E
x2

西交大数字信号处理课件 -0绪论
• 绪论 • 信号与系统 • 数字信号处理的基本原理 • 数字信号处理的实现方法 • 数字信号处理的发展趋势与展望
01
绪论
数字信号处理简介
数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及多 学科的交叉学科，主要研究如何利用数 字方法对信号进行采集、变换、分析和
将Z平面上的复数映射回时域，得到原始的 离散信号。
离散时间系统的稳定性
系统对输入信号的响应是否随时间无限增 长的性质。
离散时间系统的因果性和稳定性 关系
因果性保证系统对过去和现在输入的响应 只影响未来输出，稳定性则保证系统对输 入的响应不会无限增长。
离散傅里叶变换（DFT）与快速傅里叶变换（FFT）
傅里叶变换
将时域信号转换为频域信号，用于分析信号 的频域特性。
离散傅里叶变换（DFT）
对有限长度的离散信号进行傅里叶变换，得 到信号的频谱。
快速傅里叶变换（FFT）
高效计算DFT的算法，大幅度减少了计算量。
DFT和FFT的应用
频谱分析、滤波器设计、信号去噪等。
04
数字信号处理的实现方法
数字信号处理器的结构与特点
离散信号与系统
离散信号
在时间或数值上取样点的集合，通常由数字或符号表示。
离散系统
在离散时间点上对输入信号进行处理并产生输出信号的数学模型。
离散信号的特性
幅度、频率和相位。
离散系统的特性
线性、时不变性和因果性。
Z变换与离散时间系统
Z变换
逆Z变换
将离散信号映射到复平面上的数学工具， 用于分析信号的频域特性。
嵌入式应用
数字信号处理技术在嵌入式系 统中的应用越来越广泛，推动 了智能硬件的发展。

处理系统中集成了几十万甚至更多的晶体 管，而模拟信号处理系统中大量使用的是 电阻、电容、电感等无源器件，随着系统 的复杂性增加这一矛盾会更加突出。
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5. 数字信号处理的应用领域
▪ 语音处理
▪ 语音信号分析 ▪ 语音合成 ▪ 语音识别 ▪ 语音增强 ▪ 语音编码
▪ 图像处理：恢复，增强，去噪，压缩 ▪ 通信：信源编码，信道编码 ，多路复用，数据压缩 ▪ 电视 ：高清晰度电视，可视电话，视频会议 ▪ 雷达：对目标探测，定位，成像
统，其性能取决于运算程序和乘法器的各系数，这些均存 储在数字系统中，只要改变运算程序或系数，即可改变系 统的特性参数，比改变模拟系统方便得多。
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▪ 可以实现模拟系统很难达到的指标或特性：例如：
有限长单位脉冲响应数字滤波器可以实现严格的线性相位； 在数字信号处理中可以将信号存储起来，用延迟的方法实 现非因果系统，从而提高了系统的性能指标；数据压缩方 法可以大大地减少信息传输中的信道容量。
▪ 由一维走向多维，像高分辨率彩色电视、雷达、
石油勘探等多维信号处理的应用领域已与数字信 号处理结下了不解之缘。
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各种数字信号处理系统均几经更新换代：在
图像处理方面，图像数据压缩是多媒体通信、影 碟机(VCD或DVD)和高清晰度电视(HDTV)的关键 技术。国际上先后制定的标准H.261、JPEG、 MPEG—1和MPEG—2中均使用了离散余弦变换 (DCT)算法。近年来发展起来的小波(Wavelet)变 换也是一种具有高压缩比和快速运算特点的崭新 压缩技术，应用前景十分广阔，可望成为新一代 压缩技术的标准。
5
▪ 信息科学
▪ 信息科学是研究信息的获取、传输、处理和利 用的一门科学。
▪ 信号

3
算法优化
FFTW等库提供了优化的FFT算法实现，提高了计算速度和效率。
频域分析方法
频谱分析
频谱分析是对信号的频域特性进行分析，可用于频率成分提取、噪声分析等。
滤波器设计
通过频域分析方法可以设计数字滤波器，实现信号的去噪、增强等处理。
频域采样
频域采样是一种通过对信号频谱的采样来实现快速分析和处理的方法。
噪声
噪声是信号处理中的随机干扰， 会影响信号质量和处理结果。
信噪比
信噪比是衡量信号与噪声强度之 间关系的指标，较高的信噪比表 示较好的信号质量。
噪声降低
噪声降低技术可用于减少噪声对 信号处理结果的影响，提高信号 质量。
数字信号处理应用
1 语音处理
通过数字信号处理技术可以实现语音合成、语音识别、语音增强等应用。
பைடு நூலகம்2 图像处理
数字信号处理在图像处理中可以进行图像增强、边缘检测、目标识别等。
3 音频处理
音频处理包括音频编码、音频特效处理、音频识别等多个方面的应用。
时域分析方法
1
时域信号表示
时域分析是对信号在时间上的变化进行分析，并用时域表示方法进行描述。
2
自相关函数
自相关函数衡量信号的相似性和周期性，可以用于信号的频率分析和滤波。
3
卷积
卷积是时域分析中常用的运算，可以用于信号的滤波、系统响应分析等。
离散傅里叶变换（DFT）
傅里叶变换
傅里叶变换将信号从时域变换到 频域，可用于频域分析和滤波。
离散傅里叶变换
离散傅里叶变换是有限长序列的 傅里叶变换，用于处理离散信号 的频谱分析。
DFT的应用
DFT广泛应用于图像处理、音频 编码、通信系统等领域。

l 1,2,, p
将方程组写成矩阵方式 〔Yule-Walker方程〕
rxx(0) rxx(1)
rxx(1) rxx(0)
rxx(p) rxx(p1)
a1p1E[|e(n0)|2]mi
n
rxx(p) rxx(p1) rxx(0) app
0
后向预测：
p
y (n ) s ˆ(n p ) x ˆ(n p ) a p kx [n (p k)] k 1
bkzk
k0 p akzk
(1kz1)
k1 p
(1kz1)
满足
k0
k1
P x(xz)w 2H (z)H (z 1)
2 w
0
式中，ak, bk都是实数，a0=b0=1, 且|αk|＜1, |βk|＜1。
Z变换
rxx(m)
Z反变换
谱分解
Pxx(z)
H(z)
P xx(z)w 2H (z)H (z1)
w(n)
H(z)
x(n)
ARMA模型 MA模型
q
H ( z)
B(z) A(z)
1 1
i1 p
bi zi ai zi
i1
H(z)B(z)
Pxx() w2
B(ej) 2 A(e j )
Pxx()w 2 B(ej)2
AR模型
H (z) 1 A(z)
2
Pxx() w2
1 A(ej)
➢滤波器阶数： ➢ 对于IIR滤波器或者AR模型、ARMA模型，阶数是指p的大 小，假设用差分方程表示，那么p就是差分方程的阶数。 ➢对于FIR滤波器或者MA模型的阶数，那么是指q的大小，或 者说是它的长度减1。
k 1
k 0

信号压缩等。
Z变换
Z变换的定义
Z变换是一种将离散时间信号转换为复数域信号的方法，通过将离 散时间信号转换为复数域中的函数，可以更好地分析信号的特性。
Z变换的性质
Z变换具有线性、时移、频域平移、复共轭等性质，这些性质在信 号处理中有着广泛的应用。
Z变换的应用
Z变换在信号处理中有着广泛的应用，如离散控制系统分析、数字滤 波器设计等。
自适应滤波器应用场景
广泛应用于噪声消除、回声消除、信 号预测等领域。
05 数字信号处理应用
音频处理
音频压缩
通过降低音频数据的冗余度，实 现音频文件的压缩，便于存储和
传输。
音频增强
利用数字信号处理技术，改善音频 质量，如降低噪音、增强语音等。
音频分析
对音频信号进行特征提取和分类， 用于语音识别、音乐信息检索等领 域。
IIR滤波器应用场景
广泛应用于语音处理、图像处理等领 域。
FIR滤波器设计
FIR滤波器定义
FIR滤波器特点
FIR滤波器，即有限冲激响应滤波器，是一 种离散时间滤波器，其冲激响应有限长。
FIR滤波器具有线性相位、设计灵活、计算 量大等特性。
FIR滤波器设计方法
FIR滤波器应用场景
通过窗函数法、频率采样法等进行设计， 常用的设计方法有汉明窗法、凯泽窗法等 。
课程目标
掌握数字信号处理的基本概念、原理和方法。
学会使用数字信号处理软件进行信号处理和分析 。
了解数字信号处理在通信、图像处理、音频处理 等领域的应用。
02 基础知识
信号与系统
信号定义与分类
信号是信息传输的载体，可以是离散 的或连续的，也可以是时间的函数。 信号分类包括周期信号、非周期信号 、确定信号、随机信号等。