数字信号处理Digital Signal Processing(DSP)
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• 保持：在保持电路中将抽样信号变换成数字信号， 因为一般采用有限位二进制码，所以它所表示的信 号幅度就是有一定限制的。
• 经过A/D变换器后，不但时间离散化了，幅度也量化 了，这种信号称为数字信号。用x(n)表示。
例子
• 如4位码，只能表示24=16种不同的信号幅度， 这些幅度称为量化电平。
• 当离散时间信号幅度与量化电平不相同时， 就要以最接近的一个量化电平来近似它。
（7）估计理论，包括功率谱估计及相关函数 估计等。
（8）信号的压缩，包括语音信号与图象信号 的压缩
（9）信号的建模，包括AR，MA，ARMA， CAPON，PRONY等各种模型。
（10）其他特殊算法（同态处理、抽取与内 插、信号重建等）
（11）数字信号处理的实现。
（12) 数字信号处理的应用。
第一节 什么是数字信号处理 第二节 数字信号处理的实现 第三节 数字信号处理的应用领域 第四节 数字信号处理器
例：直流信号：仅用一个参量可以描述。阶跃信号：可用幅 度和时间两个参量描述。正弦波信号：可用幅度、频率和 相位三个参量来描述。
• 随机信号：若信号在任意时刻的取值不能精确确定，或 说取值是随机的，即它不能用有限的参量加以描述。也无 法对它的未来值确定性地预测。它只能通过统计学的方法 来描述(概率密度函数来描述)。
• 随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处 理已成为一门极其重要的学科和技术领域。
（四）数字信号处理系统的基本组成
• 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
x(n)
y(n)
A/D 变换器
数字信号 处理器
D/A 变换器
ADC
DSP
DAC
模拟 模拟 滤波器
ya(t)
PoF
(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。
xa(t)
0
t
(2)A/D变换器
• 由模拟信号产生数字信号（一个二进制流）。其有 两个过程：抽样和保持。
• 抽样：每隔T秒(抽样周期)取出一次xa(t)的幅度，此 信号称为离散信号。它只表示时间点0， T,2T…,nT,…上的值xa(0),xa(T),xa(2T)…,xa(nT)…..。
• 数字信号处理的理论基础：离散线性变 换(LSI)系统理论，离散付里叶变换(DFT)。
3.“数字信号处理”又成为一 些学科的理论基础
• 在学科发展上，数字信号处理又和最优控 制，通信理论，故障诊断等紧紧相连，成 为人工智能，模式识别，神经网络，数字 通信等新兴学科的理论基础。
4.数字信号处理学科内容
• 滤波 • 变换 • 检测 • 谱分析 • 估
• 多数科学和工程中遇到的是模拟信号。 • 以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。
• 模拟信号处理缺点：难以做到高精度，受环境 影响较大，可靠性差，且不灵活等。
• 随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发 展，加之从60年代末以来数字信号处理理论和 技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号， 即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。
• 目前市场上的DSP芯片有：
• 美国德州仪器公司(TI):TMS320CX系列 占有90% • 还有AT&T公司dsp16,dsp32系列 • Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列 • AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列
的模拟信号ya(t).
ya(t)
t
实际数字信号处理系统
• 实际系统并不一定要包括它的所有框图。 • 如有些系统只需数字输出，可直接以数字
形式显示或打印，就不需要D/A变换器； • 另一些系统的输入就是数字量，因而就不
需要A/D变换器； • 纯数字系统则只需要数字信号处理器这一
核心即可。
（五）数字信号处理的学科概貌
数字信号处理是把信号用数字或符号表示成 序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设 备，用数字的数值计算方法处理（例如：滤波、 变换、增强、估计、识别等），达到提取有用 信息便于应用的目的。
（二）信号
• 信号是一种物理体现。在信号处理领域中，信 号被定义为一个随机变化的物理量。
• 例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这 些真实世界的物理信号------>电信号，经处理 的电信号--->传感器--->真实世界的物理信号。 如现实生活中最常见的传感器是话筒、扬 声器话筒(将声压变化)--->电压信号-->空气压 力信号(扬声器)
(f) 模拟信号和数字信号
• 模拟信号：指时间连续、幅度连续的信号。
• 数字信号：时间和幅度上都是离散（量化） 的信号。故数字信号可用一序列的数表示， 而每个数又可表示为二制码的形式。
x(t)
x(tn)
x(n)
采样
模数
t 保持
tn 转换
n
（二）系统
• 系统：处理信号的物理设备或运算。或者 说，凡是能将信号加以变换以达到人们要 求的各种设备称之。
（一）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.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， 如有各种图象压缩和解压软件。
• 优点：可适用于各种数字信号处理的应用 场合，很灵活。
2. 用单片机
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。
（d）能量信号和功率信号
• 若信号能量E有限，则称为能量信号； • 若信号功率P有限，则称为功率信号； • 信号能量E可表示为
E x(t) 2 dt
• 连续时间系统：处理连续时间信号。 • 系统输入、输出均为连续时间连续幅度
的模拟信号。
（b）离散时间系统
• 离散时间系统：处理离散时间信号（序 列）。
• 系统输入、输出均为连续时间信号。
（c）模拟系统
• 模拟系统：处理模拟信号。 • 系统输入、输出均为连续时间连续幅度
的模拟信号。
（d）数字系统
1.数字信号处理开端
• 在国际上一般把1965年由Cooley-Turkey 提出快速付里叶变换(FFT)的问世，作为 数字信号处理这一学科的开端。
• 而它的历史可以追溯到17世纪--18世纪， 也即牛顿和高斯的时代。
2.数字信号处理领域的理论基础
• 数字信号处理的基本工具：微积分，概 率统计，随机过程，高等代数，数值分 析，近代代数，复杂函数。
通信 无绳电话，电报，传真)高频 • 30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM，甚高频电视) • 0.3~3GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷
达，微波，个人通信)超高频 • 频率低20Hz范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，
（1）信号的最基本的参数
• 频率和幅度
• 3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航)甚低频 • 30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)低频 • 300~3000kHz:Medium frequency(调幅广播)中频 • 3-30MHz:High frequency(HF)(无线电爱好者，国际广播，军事
y(n)
n
(4) D/A变换器
• 经过D/A变换器，将数字信号序列反过来 变换成模拟信号，这些信号在时间点 0,T,2T…nT,…上的幅度应等于序列y(n)中 相应数码所代表的数值大小。
• 即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
• 把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。 • 以滤除掉不需要的高频分量，生成所需
• 数字信号处理学科包含有 （1）离散时间线性时不变系统分析 （2）离散时间信号时域及频域分析、离散付
里叶变换（DFT）理论。 （3）信号的采集，包括A/D,D/A技术，抽样，
多率抽样，量化噪声理论等。
（4）数字滤波技术 （5）谱分析与快速付里叶变换（FFT），快
速卷积与相关算法。
（6）自适应信号处理
• 系统分类：大小之分，一个大系统可细分 为若干个小系统。
• 实际上，因为系统是完成某种运算（操作） 的，因而我们还可把软件编程也看成一种 系统的实现方法。
（1）系统分类
• 按所处理的信号种类的不同可将系统分为 四类：
（a）连续时间系统 （b）离散时间系统 （c）模拟系统 （d）数字系统
（a）连续时间系统
能被感觉到。(处于VLF Very low frequency)甚低频 • 频率20Hz~20KHz称为声波，Low frequency (处于LF)低频 • 频率>20KHz称为超声波 ，具有方向性，可以成束(处于LF)
（2）信号分类
• 同一种信号，如电信号，可从不同角度进行 分类：
（a）一维信号、二维信号、矢量信号 （b）周期信号和非周期信号 （c）确定性信号和随机信号 （d）能量信号和功率信号 （e）连续信号、离散信号 （f）模拟信号和数字信号
E x(n) 2 n
• 信号功率P可表示为
P lim 1 x(t) 2 dt
T T
P lim
1
N 1
x(n) 2
N N
n0
• 周期信号及随机信号一定是功率信号；
• 非周期的绝对可积（和）信号一定是能量 信号。
(e)连续时间信号和离散时间信号
信号的变量一般有时间与幅值，其取值方式 有连续与离散两种。 • 时间取值方式可分为连续时间与离散时间两种。 • 信号幅值的取值方式可分为连续与离散两种方 式（幅值的离散称之为量化）。 • 连续时间信号：其时间是连续的，幅值可以是 连续的也可以是离散（量化）的。 • 离散时间信号：时间是离散，幅值是连续的。
维的矢量信号。
(b)周期信号和非周期信号
若信号满足：
x(t)=x(t+kT), 或 x(n)=x(n+kN)
k为正整数； k,N皆为正整数， n+kN为任意整数
则x(t)和x(n)都是周期信号，周期分别为T 和N；否则就是非周期信号。
(c)确定性信号和随机信号
• 确定性信号：若信号在任意时刻的取值能精确确定，则 称它为确定信号；它的一个值可以用有限个参量来唯一地 加以描述。
(a)一维信号、二维信号、矢量信号
信号的变量可以是时间，频率、空间或其他的物理量。 • 若信号是一个变量(如时间)的函数，称一维信号 • 若信号是两个变量(空间坐标x,y)的函数，称为二维
信号； • 推广：若信号是多个（例如M个，M2）变量的函
数，则称为多维（M维）信号。 • 若信号表示成M维的矢量 • x=[x1(n),x2(n),…,xM(n)] • (式中为转置，n为时间变量），则称为x是一个M
• 所以经过A/D变换器后，不但时间离散化了， 而且幅度也量化了，产生一个二进制流。
抽样
xa(t)
0 x(n)的二进制数
量化
0110
0011
0011
0111 0110 1100 00101001 1001 0010
0 x(n)
t n
n
(3)数字信号处理器(DSP)
• 按照预定要求，在处理器中将信号序列 x(n)进行加工处理得到输出信号y(n).
数字信号处理
Digital Signal Processing(DSP)
第一节 什么是数字信号处理 第二节 数字信号处理的实现 第三节 数字信号处理的应用领域 第四节 数字信号处理器
（一）数字信号处理（DSP） （Digital signal processing)
• 数字信号处理:
是20世纪60年代，随着信息学科和计算机 学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学 科。它的重要性日益在各个领域的应用中表现 出来。
• 数字系统：处理数字信号。 • 系统输入、输出均为数字信号。 • 以上系统可以是线性的或非线性的，时
不变或时变的。
（三）信号处理
• 信号处理是研究系统对含有信息的信号 进行处理（变换），以获得人们所希望
的信号，从而达到提取信息、便于利用 的一门学科。
x(t)
y(t)
系统
处理
(1)信号处理的内容
• 由于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， 其能达实时控制，但数据运算量不能太 大。
3.利用通用DSP芯片
• DSP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
工作方式及并行结构，多总线速度快。配有 适于信号处理的指令(如FFT指令)等。
• 经过A/D变换器后，不但时间离散化了，幅度也量化 了，这种信号称为数字信号。用x(n)表示。
例子
• 如4位码，只能表示24=16种不同的信号幅度， 这些幅度称为量化电平。
• 当离散时间信号幅度与量化电平不相同时， 就要以最接近的一个量化电平来近似它。
（7）估计理论，包括功率谱估计及相关函数 估计等。
（8）信号的压缩，包括语音信号与图象信号 的压缩
（9）信号的建模，包括AR，MA，ARMA， CAPON，PRONY等各种模型。
（10）其他特殊算法（同态处理、抽取与内 插、信号重建等）
（11）数字信号处理的实现。
（12) 数字信号处理的应用。
第一节 什么是数字信号处理 第二节 数字信号处理的实现 第三节 数字信号处理的应用领域 第四节 数字信号处理器
例：直流信号：仅用一个参量可以描述。阶跃信号：可用幅 度和时间两个参量描述。正弦波信号：可用幅度、频率和 相位三个参量来描述。
• 随机信号：若信号在任意时刻的取值不能精确确定，或 说取值是随机的，即它不能用有限的参量加以描述。也无 法对它的未来值确定性地预测。它只能通过统计学的方法 来描述(概率密度函数来描述)。
• 随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处 理已成为一门极其重要的学科和技术领域。
（四）数字信号处理系统的基本组成
• 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
x(n)
y(n)
A/D 变换器
数字信号 处理器
D/A 变换器
ADC
DSP
DAC
模拟 模拟 滤波器
ya(t)
PoF
(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。
xa(t)
0
t
(2)A/D变换器
• 由模拟信号产生数字信号（一个二进制流）。其有 两个过程：抽样和保持。
• 抽样：每隔T秒(抽样周期)取出一次xa(t)的幅度，此 信号称为离散信号。它只表示时间点0， T,2T…,nT,…上的值xa(0),xa(T),xa(2T)…,xa(nT)…..。
• 数字信号处理的理论基础：离散线性变 换(LSI)系统理论，离散付里叶变换(DFT)。
3.“数字信号处理”又成为一 些学科的理论基础
• 在学科发展上，数字信号处理又和最优控 制，通信理论，故障诊断等紧紧相连，成 为人工智能，模式识别，神经网络，数字 通信等新兴学科的理论基础。
4.数字信号处理学科内容
• 滤波 • 变换 • 检测 • 谱分析 • 估
• 多数科学和工程中遇到的是模拟信号。 • 以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。
• 模拟信号处理缺点：难以做到高精度，受环境 影响较大，可靠性差，且不灵活等。
• 随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发 展，加之从60年代末以来数字信号处理理论和 技术的成熟和完善，用数字方法来处理信号， 即数字信号处理，已逐渐取代模拟信号处理。
• 目前市场上的DSP芯片有：
• 美国德州仪器公司(TI):TMS320CX系列 占有90% • 还有AT&T公司dsp16,dsp32系列 • Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列 • AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列
的模拟信号ya(t).
ya(t)
t
实际数字信号处理系统
• 实际系统并不一定要包括它的所有框图。 • 如有些系统只需数字输出，可直接以数字
形式显示或打印，就不需要D/A变换器； • 另一些系统的输入就是数字量，因而就不
需要A/D变换器； • 纯数字系统则只需要数字信号处理器这一
核心即可。
（五）数字信号处理的学科概貌
数字信号处理是把信号用数字或符号表示成 序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设 备，用数字的数值计算方法处理（例如：滤波、 变换、增强、估计、识别等），达到提取有用 信息便于应用的目的。
（二）信号
• 信号是一种物理体现。在信号处理领域中，信 号被定义为一个随机变化的物理量。
• 例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这 些真实世界的物理信号------>电信号，经处理 的电信号--->传感器--->真实世界的物理信号。 如现实生活中最常见的传感器是话筒、扬 声器话筒(将声压变化)--->电压信号-->空气压 力信号(扬声器)
(f) 模拟信号和数字信号
• 模拟信号：指时间连续、幅度连续的信号。
• 数字信号：时间和幅度上都是离散（量化） 的信号。故数字信号可用一序列的数表示， 而每个数又可表示为二制码的形式。
x(t)
x(tn)
x(n)
采样
模数
t 保持
tn 转换
n
（二）系统
• 系统：处理信号的物理设备或运算。或者 说，凡是能将信号加以变换以达到人们要 求的各种设备称之。
（一）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.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， 如有各种图象压缩和解压软件。
• 优点：可适用于各种数字信号处理的应用 场合，很灵活。
2. 用单片机
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。
（d）能量信号和功率信号
• 若信号能量E有限，则称为能量信号； • 若信号功率P有限，则称为功率信号； • 信号能量E可表示为
E x(t) 2 dt
• 连续时间系统：处理连续时间信号。 • 系统输入、输出均为连续时间连续幅度
的模拟信号。
（b）离散时间系统
• 离散时间系统：处理离散时间信号（序 列）。
• 系统输入、输出均为连续时间信号。
（c）模拟系统
• 模拟系统：处理模拟信号。 • 系统输入、输出均为连续时间连续幅度
的模拟信号。
（d）数字系统
1.数字信号处理开端
• 在国际上一般把1965年由Cooley-Turkey 提出快速付里叶变换(FFT)的问世，作为 数字信号处理这一学科的开端。
• 而它的历史可以追溯到17世纪--18世纪， 也即牛顿和高斯的时代。
2.数字信号处理领域的理论基础
• 数字信号处理的基本工具：微积分，概 率统计，随机过程，高等代数，数值分 析，近代代数，复杂函数。
通信 无绳电话，电报，传真)高频 • 30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM，甚高频电视) • 0.3~3GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷
达，微波，个人通信)超高频 • 频率低20Hz范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，
（1）信号的最基本的参数
• 频率和幅度
• 3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航)甚低频 • 30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)低频 • 300~3000kHz:Medium frequency(调幅广播)中频 • 3-30MHz:High frequency(HF)(无线电爱好者，国际广播，军事
y(n)
n
(4) D/A变换器
• 经过D/A变换器，将数字信号序列反过来 变换成模拟信号，这些信号在时间点 0,T,2T…nT,…上的幅度应等于序列y(n)中 相应数码所代表的数值大小。
• 即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
• 把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。 • 以滤除掉不需要的高频分量，生成所需
• 数字信号处理学科包含有 （1）离散时间线性时不变系统分析 （2）离散时间信号时域及频域分析、离散付
里叶变换（DFT）理论。 （3）信号的采集，包括A/D,D/A技术，抽样，
多率抽样，量化噪声理论等。
（4）数字滤波技术 （5）谱分析与快速付里叶变换（FFT），快
速卷积与相关算法。
（6）自适应信号处理
• 系统分类：大小之分，一个大系统可细分 为若干个小系统。
• 实际上，因为系统是完成某种运算（操作） 的，因而我们还可把软件编程也看成一种 系统的实现方法。
（1）系统分类
• 按所处理的信号种类的不同可将系统分为 四类：
（a）连续时间系统 （b）离散时间系统 （c）模拟系统 （d）数字系统
（a）连续时间系统
能被感觉到。(处于VLF Very low frequency)甚低频 • 频率20Hz~20KHz称为声波，Low frequency (处于LF)低频 • 频率>20KHz称为超声波 ，具有方向性，可以成束(处于LF)
（2）信号分类
• 同一种信号，如电信号，可从不同角度进行 分类：
（a）一维信号、二维信号、矢量信号 （b）周期信号和非周期信号 （c）确定性信号和随机信号 （d）能量信号和功率信号 （e）连续信号、离散信号 （f）模拟信号和数字信号
E x(n) 2 n
• 信号功率P可表示为
P lim 1 x(t) 2 dt
T T
P lim
1
N 1
x(n) 2
N N
n0
• 周期信号及随机信号一定是功率信号；
• 非周期的绝对可积（和）信号一定是能量 信号。
(e)连续时间信号和离散时间信号
信号的变量一般有时间与幅值，其取值方式 有连续与离散两种。 • 时间取值方式可分为连续时间与离散时间两种。 • 信号幅值的取值方式可分为连续与离散两种方 式（幅值的离散称之为量化）。 • 连续时间信号：其时间是连续的，幅值可以是 连续的也可以是离散（量化）的。 • 离散时间信号：时间是离散，幅值是连续的。
维的矢量信号。
(b)周期信号和非周期信号
若信号满足：
x(t)=x(t+kT), 或 x(n)=x(n+kN)
k为正整数； k,N皆为正整数， n+kN为任意整数
则x(t)和x(n)都是周期信号，周期分别为T 和N；否则就是非周期信号。
(c)确定性信号和随机信号
• 确定性信号：若信号在任意时刻的取值能精确确定，则 称它为确定信号；它的一个值可以用有限个参量来唯一地 加以描述。
(a)一维信号、二维信号、矢量信号
信号的变量可以是时间，频率、空间或其他的物理量。 • 若信号是一个变量(如时间)的函数，称一维信号 • 若信号是两个变量(空间坐标x,y)的函数，称为二维
信号； • 推广：若信号是多个（例如M个，M2）变量的函
数，则称为多维（M维）信号。 • 若信号表示成M维的矢量 • x=[x1(n),x2(n),…,xM(n)] • (式中为转置，n为时间变量），则称为x是一个M
• 所以经过A/D变换器后，不但时间离散化了， 而且幅度也量化了，产生一个二进制流。
抽样
xa(t)
0 x(n)的二进制数
量化
0110
0011
0011
0111 0110 1100 00101001 1001 0010
0 x(n)
t n
n
(3)数字信号处理器(DSP)
• 按照预定要求，在处理器中将信号序列 x(n)进行加工处理得到输出信号y(n).
数字信号处理
Digital Signal Processing(DSP)
第一节 什么是数字信号处理 第二节 数字信号处理的实现 第三节 数字信号处理的应用领域 第四节 数字信号处理器
（一）数字信号处理（DSP） （Digital signal processing)
• 数字信号处理:
是20世纪60年代，随着信息学科和计算机 学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学 科。它的重要性日益在各个领域的应用中表现 出来。
• 数字系统：处理数字信号。 • 系统输入、输出均为数字信号。 • 以上系统可以是线性的或非线性的，时
不变或时变的。
（三）信号处理
• 信号处理是研究系统对含有信息的信号 进行处理（变换），以获得人们所希望
的信号，从而达到提取信息、便于利用 的一门学科。
x(t)
y(t)
系统
处理
(1)信号处理的内容
• 由于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， 其能达实时控制，但数据运算量不能太 大。
3.利用通用DSP芯片
• DSP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
工作方式及并行结构，多总线速度快。配有 适于信号处理的指令(如FFT指令)等。