数字信号处理绪论

8、应用
DSP这一学科近二、三十年发展十分迅速，特别是FFT算法的出现 及大规模集成电路和计算机技术的快速发展，使DSP的应用领域不断 扩大。
应用领域有： 通信 雷达 地震预测 声纳 遥感 图像处理和模式识别 语音处理和识别 生物医学 自动控制 消费电子

雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。发 射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获 得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径 向速度）、方位、高度等信息。
时变系统
非平稳信号 非高斯信号 非线性信号
处理方法的发展： 自适应滤波 离散小波变换 高阶矩分析 信号盲处理 分形、混沌理论 目的：数学模型更加符合实际，或者降低对信号先验知识 的要求，充分利用观测信号中的一切有用信息，提高信息 利用率。
一阶矩就是随机变量的期望，二阶矩 就是随机变量平方的期望，以此可以类推 高阶的矩。
讲授内容
0.绪论--DSP的发展和应用 （1学时） 1.离散时间信号与系统 (3学时） 2.Z变换与离散时间傅里叶变换（DTFT）（4学时） 3.离散傅里叶变换(DFT) （6学时） 4.快速傅里叶变换（FFT）（6学时） 5.数字滤波器的基本结构（2学时） 6.IIR DF的设计(无限长单位脉冲响应数字滤波器的设 计)（5学时） 7.FIR DF 的设计(有限长单位脉冲响应数字滤波器的设 计)（5学时）
2、数字信号处理系统
以下所讨论的是模拟信号的数字信号处理系统.
模拟 前置预
滤波器 Xa(t) PrF
A/D 变换器 ADC
数字信号 处理器 DSP
D/A 变换器 DAC
模拟 模拟 滤波器 Ya(t) PoF
(1)前置滤波器
也称为抗混叠滤波器，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。

来值确定地预测。它 只能通过统计学的方法来描述(概率 密度函数来描述)。 例：许多自然现象所发生的信号、语音信号、图象信号、 噪声都是随机信号。它们具有幅度(能量)随机性、或具有 发生时间上的随机性或二都兼有之。
信号的变量的一般有时间与幅值，其取值方 式有连续与离散两种。 时间：连续 离散（采样） 幅值：连续 离散（量化）
4.易于大规模集成
数字部件：高度规范性，便于大规模集成， 大规模生产，对电路参数要求不严，故产品 成品率高。 例：(尤其)在低频信号：如地震波分析，需 要过滤几Hz~几十Hz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优越(显示出体 积，重量和性能的优点。
1 2 3 n 1
多路器
DSP
分 路 器
2 3 n
同步
6.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。


它广泛地应用于数字通信，雷达，遥感， 声纳，语音合成，图象处理，测量与控制， 高清晰度电视，多媒体物理学，生物医学， 机器人等。
DSP的典型应用


语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语 音邮件、语音储存等。 图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像 识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。 军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、 跳频电台、搜索和反搜索等。 仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。 自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘 控制等。 医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。 家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音 调控制、玩具与游戏等。

– 用差分方程描述的系统的响应计算。 – 信号互相关函数计算 – 离散傅立叶变换（DFT） – 离散余弦变换（DCT）
• 循环
数字信号处理实现方法
• 理论、实现、应用 • 1822年傅立叶级数理论 • 研究各种应用算法和快速算法 • 1965年快速傅立叶变换（FFT） • 数字信号处理的实现方法经历了一个较长的发展过程。 • 1982，TI TMS320C10 • 数字信号处理的实现方法
是20世纪60年代前后发展起来的一门新兴学科。 • 现代信号处理理论
– 涉及到非常复杂的算法和大量的计算 – 增加了实时处理难度 – 分布式、并行计算 – 并行计算机系统 、DSP芯片的阵列处理系统 – 通用计算机和DSP都朝着多核发展数字信号处理算法基本特点
• 乘累加（MAC）
– 根据线性时不变离散时间系统的单位脉冲响应， 系统响应可采用卷积和来计算。
• ADI
– 16位的定点DSP产品ADSP-21xx系列、Blackfin ADSP-215xx系 列
– 32位的浮点DSP产品SHARC系列、TigerSHARC系列 – 混合信号处理DSP产品ADSP-2199X系列 – 嵌入式电机控制DSP产品ADMC系列等
数字信号处理器基本概念
系列
型号
类型
数字信号处理器基本概念
• 一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，或者 说主要是为快速实现各种数字信号处理算法而设计的。
• 目前，DSP芯片已广泛应用 • 第一颗DSP芯片，1978年AMI公司发布的S2811 • 1979，Intel，商用可编程器件2920
– 是DSP芯片的一个主要里程碑 – 但上述两种芯片内部都没有单周期乘法器
• 新型数字信号处理器在实现复杂音视频媒体处理算法基础 上，提供了完成事务管理的控制功能

绪论0.1 信号处理的基本概念0.1.1 信号信号是表示信息的物理量。

最常用的是电信号，电信号可以通过幅度、频率、相位的变化来表示不同的信息。

可以将信号模型化为传载信息的函数，其自变量常取为时间t，事实上，信号的自变量不一定是时间，也不一定只有一个自变量，如图像信号以空间坐标为变量、视频信号以空间和时间为变量。

1.信号的分类（1）模拟信号模拟信号是指信号的波形模拟着信息的变化而变化的信号。

模拟信号的自变量和取值都可以取连续范围内的任意值。

如果自变量是时间，就是指时间连续、幅值也连续的信号。

模拟信号存在于自然界的各个角落，如空气的温度、人耳听到的声音。

电学上的模拟信号主要指幅度和相位都连续的电信号。

（2）连续时间信号连续时间信号是在连续时间范围内定义的信号，信号的幅值可以是连续的，也可以是离散（量化）的。

“量化”是用一组规定的数值表示某变量的过程，量化后信号的函数值只能取自这些规定的数值。

模拟信号可以看作是连续时间信号的特例。

（3）离散时间信号离散时间信号是在离散的时间上定义的信号，自变量仅取离散值。

其幅值可以是连续的，也可以是离散（量化）的。

理想抽样信号是典型的离散时间信号，其幅值是连续的。

（4）数字信号数字信号是指不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是离散的、只能取有限个数值的信号。

这种信号的自变量用整数表示，因变量用有限数字集合中的一个数表示。

如电报信号、二进制信号、脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）信号等都属于数字信号。

由于在工程技术领域，数字技术已经成为主流，数字信号的重要性越来越大，各种模拟信号经传感器转换为电信号，再经模数转换器（ADC，Analog to Digital Converter）转换为数字信号，就能用计算机进行处理。

学习提示：以上所定义的各类信号是为了强调要储存、传输、处理的信息是什么类型的，事实上，自然界中的一切信号都是模拟信号，数字信号是人为抽象出来的在时间上和幅度上都不连续的信号。