1、中国矿业大学信电学院中国矿业大学信电学院数字信号处理数字信号处理Digital Signal Processing(DSP)课程性质课程性质：专业基础课：专业基础课 40+840+8学时学时前修课程前修课程：信号与线性系统：信号与线性系统后续课程后续课程：DSPDSP原理及应用原理及应用绪绪 论论一、信号与系统一、信号与系统二、数字信号处理二、数字信号处理(DSP)(DSP)三、数字信号处理系统的基本组成三、数字信号处理系统的基本组成四、数字信号处理的特点四、数字信号处理的特点五、数字信号处理基本学科分支五、数字信号处理基本学科分支六、数字信号处理实现方法六、数字信号处理实现方法七、数字信号处
2、理的应用领域七、数字信号处理的应用领域讲授内容讲授内容参考书参考书绪绪 论论一、信号与系统一、信号与系统 信号是信息的一种物理体现，是信号是信息的一种物理体现，是信息的载体。信息的载体。信号可以是信号可以是多种多样多种多样的。的。信号以信号以某种函数的形式传递信息某种函数的形式传递信息。这个函数可以是时间域、频率域或其这个函数可以是时间域、频率域或其它域。但最基础的域是它域。但最基础的域是时域时域。1.模拟信号和模拟系统模拟信号和模拟系统 信号x(t)：时间 连续 幅度 连续 处理这类信号的系统处理这类信号的系统 模拟系统模拟系统2.离散时间信号和系统离散时间信号和系统 信号x(nT)：时间
3、离散 幅度 连续处理这类信号的系统处理这类信号的系统 离散时间系统离散时间系统 注：可用注：可用x(n)代表时间离散、幅度连续的任代表时间离散、幅度连续的任何序列。何序列。即数字信号就是幅度量化了的离散时即数字信号就是幅度量化了的离散时间信号。间信号。处理这类信号的系统处理这类信号的系统 数字系统数字系统3.数字信号和数字系统数字信号和数字系统信号：时间、幅度均离散)(nxq “处理处理”-用系统对信号进行某种加工。用系统对信号进行某种加工。包括：包括：滤波、分析、变换、综合、压缩、估滤波、分析、变换、综合、压缩、估计、识别等等。计、识别等等。凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对凡是利用数字计
4、算机或专用数字硬件、对数数字信号字信号所进行的所进行的一切变换或按预定规则所进一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算行的一切加工处理运算。例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等。等。或者说：或者说：数字信号处理是用数值计算的方法，数字信号处理是用数值计算的方法，完成对信号的处理。完成对信号的处理。因此处理的实质是因此处理的实质是“运算运算”，运算的基运算的基本单元是本单元是延时器、乘法器和加法器延时器、乘法器和加法器。二、数字信号处理二、数字信号处理(DSP)图图0-1就是一个简单的就是一个简单的数字滤波器，由数字滤波器，由一个加一个加法器、一个延时器
5、和一法器、一个延时器和一个乘法器个乘法器组成。组成。因此处理的实质是因此处理的实质是“运运算算”，运算的基本单元，运算的基本单元是延时器、加法器和乘是延时器、加法器和乘法器。法器。简单的模拟滤波器比较比较三、数字信号处理系统的基本组成p以下所讨论的是模拟信号的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.)(ny)(nxp将输入信号将输入信号xa(t)中高于某一频率中高于某一频率(称折叠频率，称折叠频率，等于抽样频率的一半等于抽样频率的一半)的分量加以滤除。的分量加以滤除。(2)(2)A/D变换器变换器在在A/D变换器中每隔变换器中每隔T秒秒(抽样周期抽样周期)取出一取出一次次xa
6、(t)的幅度，抽样后的信号称为离散信的幅度，抽样后的信号称为离散信号。号。在在A/D变换器中的保持电路中进一步变换变换器中的保持电路中进一步变换为若干位码即数字信号为若干位码即数字信号序列序列x(n)。(1)(1)前置滤波器前置滤波器(3)(3)数字信号处理器数字信号处理器(DSP)(DSP)p按照预定要求，在处理器中将信号序列按照预定要求，在处理器中将信号序列x(n)进进行加工处理得到输出信号行加工处理得到输出信号y(n).(4)(4)D/A变换器变换器p由一个由一个二进制码流二进制码流产生一个阶梯波形，是产生一个阶梯波形，是形成形成模拟信号模拟信号的第一步。的第一步。(5)(5)模拟滤波器
7、模拟滤波器p把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。即滤除掉不需要的高频分量，生成所需即滤除掉不需要的高频分量，生成所需的模拟信号的模拟信号ya(t).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与模拟系统(ASP)(ASP)相比，数字系统具有的特点：相比，数字系统具有的特点：p精度高精度高p可靠性强可靠性强p灵活性大灵活性大p易于大规模集成易于大规模集成p时分复用时分复用p可获得高性能指标可获得高性能指标1.1.精度高精度高p模拟系统模拟系统中，它的精度是由中，它的精度是由元件元件决定，模拟决定，模拟元器件的精度很难达到元器件的精度很难达到1010-3-3以
8、上。以上。p数字系统数字系统中，中，1717位位字长字长就可达就可达1010-5-5精度，所以精度，所以在高精度系统中，有时只能采用数字系统。在高精度系统中，有时只能采用数字系统。2.2.可靠性强可靠性强p模拟系统模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受：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，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产生杂散效应甚至振荡等p数字系统数字系统：只有两个信号电平：只有两个信号电平0 0，1,1,受噪声及受噪声及环境条件等影响小。环境条件等影响小。且数字系统采用大规模集成电路，其故障率且数字系统采用大规模集成电路，
9、其故障率远远小于采用众多分立元件构成的模拟系统。远远小于采用众多分立元件构成的模拟系统。3.3.灵活性大灵活性大数字系统的性能主数字系统的性能主要决定于乘法器的各要决定于乘法器的各系数，且系数存放于系数，且系数存放于系数存储器内，系数存储器内，只需只需改变存储的系数，改变存储的系数，就就可得到不同的系统，可得到不同的系统，比改变模拟系统方便比改变模拟系统方便得多。得多。4.4.易于大规模集成易于大规模集成p数字部件：数字部件：高度规范性，便于大规模集成，大高度规范性，便于大规模集成，大规模生产，体积小、重量轻，对电路参数要求规模生产，体积小、重量轻，对电路参数要求不严。不严。例：(尤其)对低频
10、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。5.5.可获得高性能指标可获得高性能指标 即可以实现模拟系统很难达到的指标或特性。即可以实现模拟系统很难达到的指标或特性。例：对信号进行频谱分析例：对信号进行频谱分析p模拟频谱仪在频率低端只能分析到模拟频谱仪在频率低端只能分析到10Hz10Hz以上频率，以上频率，且难于做到高分辨率且难于做到高分辨率(也即足够窄的带宽也即足够窄的带宽)。p但在但在数字的谱分析数字的谱分析中，已能做到中，已能做到1
11、010-3-3HzHz的谱分析。的谱分析。又例：有限长冲激响应数字滤波器（又例：有限长冲激响应数字滤波器（FIR），），则可实现准确的则可实现准确的线性相位特性线性相位特性，这在模拟系统中，这在模拟系统中是很难达到的。是很难达到的。五、数字信号处理基本学科分支五、数字信号处理基本学科分支pDSP:狭义理解可为狭义理解可为 Digital Signal Processor -数字信号处理器数字信号处理器 广义理解可为广义理解可为 Digital Signal Processing -数字信号处理技术数字信号处理技术 在此我们讨论的DSP的概念是指广义的理解。pDSP的经典内容的经典内容：*数字信
12、号滤波数字信号滤波 分为经典滤波和现代滤波分为经典滤波和现代滤波 经典滤波为本科阶段学。主要为FIR 和IIR滤波器*数字信号频谱分析数字信号频谱分析 FFT谱分析谱分析 统计频谱分析统计频谱分析六、数字信号处理实现方法六、数字信号处理实现方法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。2.用单片机。用单片机。3.利用通用利用通用DSP芯片芯片4.利用特殊用途的利用特殊用途的DSP芯片芯片 1采用通用计算机用软件实现采用通用计算机用软件实现 软件采用高级语言编写，也可利用商品化的软件采用高级语言编写，也可利用商品化的各种各种DSP软件如软件如MATLAB、SYSTEMVIEW等
13、。等。该方法实现简单、灵活，但实时性较差，很少用该方法实现简单、灵活，但实时性较差，很少用于实时系统，主要用于教学和科研的前期研制阶于实时系统，主要用于教学和科研的前期研制阶段段 2.用单片机用单片机单片机发展已经很久，价格便宜，且功能很强。单片机发展已经很久，价格便宜，且功能很强。优点：可根据不同环境配不同单片机，可以实时控优点：可根据不同环境配不同单片机，可以实时控制，但数据运算量不能太大。制，但数据运算量不能太大。3.利用通用利用通用DSP芯片芯片DSP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，采用流水如内部带有乘法器，累加器，采用流水线工
14、作方式及并行结构，多总线速度快。线工作方式及并行结构，多总线速度快。配有适于信号处理的指令配有适于信号处理的指令(如如FFT指令指令)等。等。目前市场上的目前市场上的DSP芯片有：芯片有：p美国德州仪器公司美国德州仪器公司(TI):TMS320CX系列系列 占有占有90%p还有还有AT&T公司公司dsp16,dsp32系列系列pMotorola公司的公司的dsp56x,dsp96x系列系列pAD公司的公司的ADSP21X,ADSP210X系列系列4.利用特殊用途的利用特殊用途的DSP芯片芯片 市场上推出专门用于市场上推出专门用于FFT,FIR滤波器，卷积、滤波器，卷积、相关等专用数字芯片。相关
15、等专用数字芯片。如：如：p BB公司：公司：DF17XX系列系列p MAXIM公司：公司：MAXIM27X,MAXIM28Xp National公司：公司：National-SEMI系列，系列，MF系列。系列。p 其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使用者只需给出输入数据，可在输出端直接得使用者只需给出输入数据，可在输出端直接得到数据。到数据。七、数字信号处理的应用领域七、数字信号处理的应用领域 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：p信号分析p信号滤波1.信号分析信号分析p任务任
16、务：涉及信号特性的测量。它通常是一个：涉及信号特性的测量。它通常是一个频域的运算。频域的运算。p主要应用于主要应用于：谱谱(频率和频率和/或相位或相位)分析、语音分析分析、语音分析 说话人识别、目标检测、模式识别说话人识别、目标检测、模式识别2.信号滤波信号滤波p任务任务：是信号入：是信号入-信号出的情况。实现这个信号出的情况。实现这个任务的系统被称为滤波器。它通常任务的系统被称为滤波器。它通常(但不总是但不总是)作时域运算。作时域运算。p主要应用于主要应用于：滤除不需要的背景噪声，去除干扰，滤除不需要的背景噪声，去除干扰，频带分割，信号谱的成形等。频带分割，信号谱的成形等。所以广泛应用于数字
17、通信，雷达，遥感，声所以广泛应用于数字通信，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，机器人晰度电视，多媒体物理学，生物医学，机器人等。等。3.DSP的典型应用的典型应用网络网络无线通信无线通信家电家电另外还有虚拟现实，噪声对消技术，图像处另外还有虚拟现实，噪声对消技术，图像处理等等理等等 可以说可以说DSP是现代信息产业的重要基石，它在是现代信息产业的重要基石，它在网络时代的地位与网络时代的地位与CPU在在PC时代的地位是一时代的地位是一样的。样的。各种数字信息系统各种数字信息系统Military and
18、Government Cellular,Secure ConnectivityDigital Media ProcessingWeb padTelematicsWireless Devices:802.11,Bluetooth,OthersEnhanced GamingIndustry-Specific PDAsBiometricsMedical DevicesPDA 个人数据助理个人数据助理移动通信系统移动通信系统手机已不仅仅是通话的工具手机已不仅仅是通话的工具数字照相机数字照相机飞机驾驶模拟器飞机驾驶模拟器全球定位系统（全球定位系统（GPS）讲授内容讲授内容 绪论绪论1.离散时间信号与系统
19、的时域分析离散时间信号与系统的时域分析2.离散时间信号与系统的频域分析离散时间信号与系统的频域分析3.离散傅里叶变换离散傅里叶变换DFT4.快速傅里叶变换快速傅里叶变换FFT5.IIR数字滤波器的设计数字滤波器的设计6.FIR数字滤波器的设计数字滤波器的设计7.数字滤波器数字滤波器(DF)结构结构频谱分析频谱分析数字滤波数字滤波基础基础实验内容实验内容实验一实验一 FFT频谱分析与应用频谱分析与应用实验二实验二 IIR数字滤波器设计数字滤波器设计实验三实验三 FIR数字滤波器设计数字滤波器设计MATLAB软件软件第第8章章参考书参考书1.数字信号处理教程数字信号处理教程 程佩青程佩青 清华大学
20、出版社清华大学出版社2.数字信号处理数字信号处理(第二版第二版)丁玉美等丁玉美等 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社3.数字信号处理导论数字信号处理导论 胡广书胡广书 清华大学出版社清华大学出版社4.数字信号处理数字信号处理 张小虹张小虹 机械工业出版社机械工业出版社5.离散时间信号处理离散时间信号处理 美美A.V奥本海姆奥本海姆 R.W.谢弗编谢弗编 科学出版社科学出版社6.Introduction to Signal Processing 信号处理导论信号处理导论 Sophocles J.Orfanids(奥法尼索斯奥法尼索斯S.J)清华大学出版社清华大学出版社7.基于基于Matlab的系统分析与设计的系统分析与设计-信号处理信号处理 楼顺天楼顺天 李博菡李博菡 编著编著 西安电子科大出版社西安电子科大出版社 让我们配合，共同圆满完成本让我们配合，共同圆满完成本课程的学习！课程的学习！OK？
