數(shù)字信號(hào)處理2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系1教材與參考書(shū)教材：《數(shù)字信號(hào)處理教程》（第二版）程佩青，清華大學(xué)參考書(shū)：《數(shù)字信號(hào)處理》鄭南寧，西安交大《DiscreteTimeSignalProcessing》

AlanV.Oppenheim&RonaldW.Schafer2ndEdition,Prentice-Hall，2001《離散時(shí)間信號(hào)處理》奧本海姆，高教《信號(hào)與系統(tǒng)》鄭君里，高教2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系2緒論一、信號(hào)、系統(tǒng)與信號(hào)處理的基本概念二、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成三、數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)四、數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科概貌五、數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用六、本課程的主要內(nèi)容2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系3一、數(shù)字信號(hào)處理的基本概念DSP(DigitalSignalProcessing)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科。DSP是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、綜合、估值、識(shí)別等加工處理，以達(dá)到提取信息和便于應(yīng)用的目的的一門(mén)學(xué)科。2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系41、信號(hào)概念信號(hào):信號(hào)是傳輸信息的函數(shù)，是信息的物理表現(xiàn)形式，或表示物理系統(tǒng)狀態(tài)或行為；而信息是信號(hào)的具體內(nèi)容。通俗地講，信息就是有用的消息。消息不等于信息，同一消息可含有不同的信息量。一般信號(hào)是一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)。(e.g.:i(t),v(t),g(x,y)).獨(dú)立變量:時(shí)間、距離、速度、位置、溫度和壓力等。2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系5信號(hào)分類(lèi)信號(hào)分類(lèi)：

依載體：電、磁、聲、光、熱、機(jī)械信號(hào)；依維數(shù)：一維、二維、多維(矢量)信號(hào)；依周期：周期信號(hào)x(t)=x(t+kT)、非周期信號(hào);

依確定性：確定性信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)；依能量或功率是否有限：能量、功率信號(hào)；依連續(xù)性：連續(xù)信號(hào)(模擬)、離散信號(hào)(數(shù)字)；2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系6

波形：信號(hào)幅度隨獨(dú)立變量變化的函數(shù)，通常

一維信號(hào)的獨(dú)立變量為時(shí)間。信號(hào)分類(lèi)（續(xù)）傳感器得到的信號(hào)都要先變成電信號(hào)(連續(xù)時(shí)間信號(hào))。連續(xù)時(shí)間信號(hào)：用電壓或電流去模擬其他物理量所得到的信號(hào)，獨(dú)立時(shí)間變量連續(xù)有定義{x(t)}。模擬信號(hào)：信號(hào)幅值連續(xù)有定義的連續(xù)時(shí)間信號(hào)。離散時(shí)間信號(hào)：由連續(xù)時(shí)間信號(hào)經(jīng)離散化得到，亦可客觀存在，獨(dú)立時(shí)間變量在離散時(shí)間點(diǎn)有定義{x(nT)}。數(shù)字信號(hào)：在時(shí)間上和幅度上都是離散的信號(hào)，它可由模擬信號(hào)經(jīng)離散和量化得到，亦可客觀存在。本質(zhì)上，它只是一系列的“數(shù)”，且通常用二進(jìn)制編碼表示。關(guān)系：連續(xù)時(shí)間信號(hào)采樣離散時(shí)間信號(hào)量化數(shù)字信號(hào)模擬經(jīng)A/D變換得數(shù)字；數(shù)字經(jīng)D/A變換得模擬。2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系7連續(xù)時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)舉例1.連續(xù)時(shí)間信號(hào)：CTS(ContinuousTimeSignal/AnalogSignal)—x(t)2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系8（在離散時(shí)間點(diǎn)上取值）2.離散時(shí)間信號(hào)：DTS(DiscreteTimeSignal/Sequence)—x[n]離散時(shí)間信號(hào)例子（1）股票指數(shù)：2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系9人口統(tǒng)計(jì)：離散時(shí)間信號(hào)例子（2）溫度測(cè)量2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系10離散時(shí)間信號(hào)例子（3）

連續(xù)信號(hào)的離散化：2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系11離散時(shí)間信號(hào)例子（4）

2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系12

音樂(lè)信號(hào)：圖象：2、系統(tǒng)概念系統(tǒng)：處理信號(hào)的物理設(shè)備。軟件編程（運(yùn)算或操作）也可看成為系統(tǒng)。系統(tǒng)依所處理的信號(hào)種類(lèi)可分為四類(lèi)：模擬系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)。系統(tǒng)依性質(zhì)可分為：線性的或非線性的、時(shí)（移）不變的或時(shí)（移）變的、因果的或非因果的系統(tǒng)等。2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系133、信號(hào)處理概念信號(hào)處理是指利用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理（變換）。數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容包括：

信號(hào)表示：時(shí)域和頻域表示；

信號(hào)變換：DTFT、DFT、ZT，以及FFT；

信號(hào)處理：濾波、壓縮、調(diào)制及解調(diào)和信號(hào)分析;

信號(hào)運(yùn)算：延遲、加、減、乘和卷積。2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系14二、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)基本組成模擬信號(hào)的數(shù)字化處理系統(tǒng)構(gòu)成：2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系15前置預(yù)濾波器A/D變換器數(shù)字信號(hào)處理器D/A變換器模擬濾波器xa(t)x(n)y(n)ya(t)y(t)x(t)各單元的作用：前置預(yù)濾波器：濾除高于某一頻率的信號(hào)，防混迭。A/D變換器：完成抽樣和量化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。數(shù)字信號(hào)處理器：輸入序列經(jīng)處理得到輸出序列。D/A變換器：數(shù)字信號(hào)變換成模擬信號(hào)。模擬濾波器：濾除不需要的高頻分量。3.數(shù)字信號(hào)處理(DSP)的實(shí)現(xiàn)方法：軟件：指的是按照原理和算法，自己編寫(xiě)程序或者采用現(xiàn)成的程序在通用計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。軟件法靈活，但速度慢，達(dá)不到實(shí)時(shí)處理要求。專(zhuān)用硬件：指的是按照具體的要求和算法，設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)圖，用乘法器、加法器、延時(shí)器、控制器、存儲(chǔ)器以及輸入輸出接口部件實(shí)現(xiàn)的一種方法。硬件法速度快，但是不夠靈活。通用DSP芯片：采用專(zhuān)用的數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種方法。它內(nèi)部配有乘法器和累加器，結(jié)構(gòu)上采用流水線工作方式以及并行結(jié)構(gòu)、多總線，且配有適合數(shù)字信號(hào)處理的指令，這種產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，速度高、體積小、性能優(yōu)良，價(jià)格也在不斷下降。2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系16數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程的波形示意圖A/D變換：(抽樣與量化）2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系17-30123435474nT2T-1數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程的波形示意圖（續(xù)）數(shù)字信號(hào)處理器：(DSP)2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系18y(n)01234n數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程的波形示意圖（續(xù)）D/A變換器：（平滑）模擬濾波器：2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系190y(t)三、數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：精度高模擬系統(tǒng)：由元器件確定（10-3）；數(shù)字系統(tǒng)：由字長(zhǎng)確定，由8位到16、32、64位，數(shù)字信號(hào)可存儲(chǔ)、傳送。2.靈活性高數(shù)字系統(tǒng)的性能主要由乘法器的系數(shù)決定。3.可靠性高只有“0”和“1”兩個(gè)電平，受溫度噪聲影響小。4.容易集成規(guī)范性高，電路參數(shù)要求不高，體積小、重量輕。2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系20數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）5.時(shí)分復(fù)用2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系21數(shù)字信號(hào)處理器同步多路開(kāi)關(guān)多路開(kāi)關(guān)輸出輸入......數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）

6.可獲得高性能指標(biāo)如頻譜分析：模擬方法10Hz;

數(shù)字方法10-3Hz.7.便于二維與多維處理用存儲(chǔ)一禎或數(shù)禎圖象信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二、多維處理。缺點(diǎn)：

1.增加復(fù)雜性（e.g.:A/D和D/A）；

2.速度不夠高，工作頻率也不夠高(幾十MHz以下)。2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系22四、數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科概貌1.信號(hào)的采集：實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化，包括取樣、量化。2.信號(hào)的分析：信號(hào)描述與運(yùn)算，各種變換，時(shí)、頻域分析，DFT。3.系統(tǒng)分析：線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)，時(shí)變系統(tǒng)與時(shí)不變系統(tǒng)，線性時(shí)（移）不變系統(tǒng)，因果系統(tǒng)與非因果系統(tǒng)，線性時(shí)（移）不變因果系統(tǒng)。4.快速算法：

FFT,WFT，快速卷積、相關(guān)算法。5.數(shù)字濾波技術(shù)：(1)IIR數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)；(2)FIR數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)。6.功率譜估計(jì)與相關(guān)函數(shù)估計(jì)。7.信號(hào)壓縮（語(yǔ)音、圖像）。8.信號(hào)建模（AR、MA、ARMA）。2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系23五、數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)用：（1）濾波與變換：數(shù)字濾波/卷積、相關(guān)；（2）通信：各種調(diào)制/解調(diào)、自適應(yīng)均衡、糾錯(cuò)、擴(kuò)頻、加/解密、回波對(duì)消、IP電話(huà)、軟件無(wú)線電；（3）語(yǔ)音、語(yǔ)言：郵件、壓縮、錄音、識(shí)別、合成；（4）圖形圖像：壓縮增強(qiáng)、復(fù)原重建、分割、識(shí)別、動(dòng)畫(huà)、視覺(jué)；（5）消費(fèi)電子;（6）儀器儀表：（7）工控自動(dòng)化；（8）醫(yī)療；（9）軍事；雷達(dá)、聲納、導(dǎo)航、GPS、衛(wèi)星、航空航天。2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系24DSP應(yīng)用舉例（1）濾波——選頻濾波e.g.:多正弦信號(hào)：2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系25DSP應(yīng)用：回波對(duì)消(I)（2）回波對(duì)消（來(lái)自遠(yuǎn)方的輸入信號(hào)既耦合至耳機(jī)，又耦合至話(huà)筒傳回去，產(chǎn)生回聲）2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系26DSP應(yīng)用：回波對(duì)消(II)對(duì)消方法：（將輸入一方面送入混合線圈，另一方面又送入自適應(yīng)濾波器與泄露至話(huà)筒的回聲進(jìn)行對(duì)消）2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系27應(yīng)用：語(yǔ)音處理（3）語(yǔ)音處理均衡;編碼與壓縮多聲道模擬、混響效果2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系28應(yīng)用：信號(hào)預(yù)測(cè)（4）信號(hào)預(yù)測(cè)2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系29應(yīng)用：信號(hào)傳送（5）語(yǔ)音傳輸2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系30應(yīng)用：圖象處理（I）（6）圖像處理：邊緣檢測(cè)2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系31應(yīng)用：圖象處理（II）

2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系32邊沿檢測(cè)原理：

邊沿信號(hào)x[n]:邊沿檢測(cè)濾波器h[n]:數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用與發(fā)展（續(xù)）發(fā)展方向：（1）數(shù)字匯聚（融合）：信號(hào)處理、通信、計(jì)算機(jī)；（2）遠(yuǎn)程會(huì)議；（3）融合網(wǎng)絡(luò)：公眾通信網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、家庭網(wǎng)；（4）數(shù)字圖書(shū)館；（5）圖文信息檢索；（6）多媒體通信；（7）個(gè)人信息終端：PDA、個(gè)人通信系統(tǒng)。2023/2/4大連海事大學(xué)信息學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)系33六、本課程的主要內(nèi)容第一章離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)(復(fù)習(xí)）第二章Z變換（復(fù)習(xí)）第三章離散傅立葉變換（DFT）第四章快速傅立葉變換（