数字信号处理绪论
《数字信号处理》教案
《数字信号处理》教案第一章：绪论1.1 课程介绍理解数字信号处理的基本概念了解数字信号处理的发展历程明确数字信号处理的应用领域1.2 信号的概念与分类定义信号、模拟信号和数字信号掌握信号的分类和特点理解信号的采样与量化过程1.3 数字信号处理的基本算法掌握离散傅里叶变换（DFT）了解快速傅里叶变换（FFT）学习Z变换及其应用第二章：离散时间信号与系统2.1 离散时间信号理解离散时间信号的定义熟悉离散时间信号的表示方法掌握离散时间信号的运算2.2 离散时间系统定义离散时间系统及其特性学习线性时不变（LTI）系统的性质了解离散时间系统的响应2.3 离散时间系统的性质掌握系统的稳定性、因果性和线性学习时域和频域特性分析方法第三章：离散傅里叶变换3.1 离散傅里叶变换（DFT）推导DFT的数学表达式理解DFT的性质和特点熟悉DFT的应用领域3.2 快速傅里叶变换（FFT）介绍FFT的基本概念掌握FFT的计算步骤学习FFT的应用实例3.3 离散傅里叶变换的局限性探讨DFT在处理非周期信号时的局限性了解基于DFT的信号处理方法第四章：数字滤波器设计4.1 滤波器的基本概念理解滤波器的定义和分类熟悉滤波器的特性指标学习滤波器的设计方法4.2 数字滤波器的设计方法掌握常见数字滤波器的设计算法学习IIR和FIR滤波器的区别与联系了解自适应滤波器的设计方法4.3 数字滤波器的应用探讨数字滤波器在信号处理领域的应用学习滤波器在通信、语音处理等领域的应用实例第五章：数字信号处理实现5.1 数字信号处理器（DSP）概述了解DSP的定义和发展历程熟悉DSP的特点和应用领域5.2 常用DSP芯片介绍学习TMS320系列DSP芯片的结构和性能了解其他常用DSP芯片的特点和应用5.3 DSP编程与实现掌握DSP编程的基本方法学习DSP算法实现和优化技巧探讨DSP在实际应用中的问题与解决方案第六章：数字信号处理的应用领域6.1 通信系统中的应用理解数字信号处理在通信系统中的重要性学习调制解调、信道编码和解码等通信技术探讨数字信号处理在无线通信和光通信中的应用6.2 音频信号处理熟悉音频信号处理的基本概念和算法学习音频压缩、回声消除和噪声抑制等技术了解数字信号处理在音乐合成和音频效果处理中的应用6.3 图像处理与视频压缩掌握数字图像处理的基本原理和方法学习图像滤波、边缘检测和图像压缩等技术探讨数字信号处理在视频处理和多媒体通信中的应用第七章：数字信号处理工具与软件7.1 MATLAB在数字信号处理中的应用学习MATLAB的基本操作和编程方法熟悉MATLAB中的信号处理工具箱和函数掌握利用MATLAB进行数字信号处理实验和分析的方法7.2 其他数字信号处理工具和软件了解常用的数字信号处理工具和软件，如Python、Octave等学习这些工具和软件的特点和应用实例探讨数字信号处理工具和软件的选择与使用第八章：数字信号处理实验与实践8.1 数字信号处理实验概述明确实验目的和要求学习实验原理和方法掌握实验数据的采集和处理8.2 常用数字信号处理实验完成离散信号与系统、离散傅里叶变换、数字滤波器设计等实验8.3 数字信号处理实验设备与工具熟悉实验设备的结构和操作方法学习实验工具的使用技巧和安全注意事项第九章：数字信号处理的发展趋势9.1 与数字信号处理探讨技术在数字信号处理中的应用学习深度学习、神经网络等算法在信号处理领域的应用实例9.2 物联网与数字信号处理理解物联网技术与数字信号处理的关系学习数字信号处理在物联网中的应用，如传感器信号处理、无线通信等9.3 边缘计算与数字信号处理了解边缘计算的概念和应用场景探讨数字信号处理在边缘计算中的作用和挑战10.1 课程回顾梳理本门课程的主要内容和知识点10.2 数字信号处理在未来的发展展望数字信号处理技术在各个领域的应用前景探讨数字信号处理技术的发展趋势和挑战10.3 课程考核与评价明确课程考核方式和评价标准鼓励学生积极参与课堂讨论和实践活动，提高综合素质重点和难点解析重点一：信号的概念与分类信号的定义和分类是理解数字信号处理的基础，需要重点关注。
数字信号处理绪论
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)。
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。
数字信号处理讲义--绪论
第1章绪论[教学目的]1．介绍数字信号课程的应用、历史、发展趋势2．复习信号与系统中的相关知识点[教学重点与难点]重点：前沿领域的介绍。
难点：概述性的介绍和知识的回顾，无难点。
一、本课程简介数字信号处理(DSP )是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。
20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。
在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。
数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。
数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。
反过来，数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。
而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。
数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。
例如，在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。
近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。
可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。
数字信号处理（DSP）是一门正在生气勃勃迅速发展的学科。
随着超大规模集成电路（VLSI）的出现和迅猛发展，DSP在理论和应用方面不断地发展和完善，在越来越多的应用领域中迅速取代传统的模拟信号处理方法，并且还开辟出许多新的应用领域。
基于高速数字计算机和超大规模数字集成电路的新算法、新实现技术、高速器件、多维处理和新的应用成为DSP学科发展方向和研究热点。
由于DSP应用非常广泛（如，生物医学工程，声学，雷达，地震，通信等），各个领域都需要大量高素质的DSP研究开发人才，所以数字信号处理课程得到学术界和大专院校的高度重视，并达到高度发展和逐步完善的水平。
数字信号处理_课件__数字信号分析-绪论课件共88页
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。
➢ 用这一方法优点：可适用于各种数字信号处理的 应用场合，很灵活。
➢ 主要参考教材： ➢ (1) 程佩青著，数字信号处理教程（第三版），清华大学出版社,2007 ➢ (2) S. K. Mitra, Digital Signal Processing: A Computer-Based Approach,
Third Edition, Mcgraw-Hill,2001 ➢ (3) John G. Proakis, Dimitris G. Manolakis, Digital Signal Processing,
MATLAB, 2003. ➢ (5) 胡广书，数字信号处理：理论、算法与实现，清华大学出版社，2003
一、数字信号处理的基本概念
DSP(Digital Signal Processing)是近几十年发展起来 的一门新兴学科。
DSP是利用计算机或专用设备，以数值计算的 方法对信号进行采集、变换、综合、估值、识别等 加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的的 一门学科。
取离散值，且通常用二进制编码表示。
模拟信号和数字信号 （Analog Signal and Digital Signal ）
➢ 模拟信号：指幅度连续的信号，通常指 时间和幅度上都是连续的信号。
➢ 数字信号：时间和幅度上都是离散的信 号。
x(t)
x(tn)
Байду номын сангаас
0 数字信号处理绪论
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。
数字信号处理dsp绪论a
其中，m表示数的2补码的整数部分，n表示数的2补码
的小数部分，1位符号位，数的总字长为m+n+l位。表 示数的整数范围为-2m～2m -1，小数的最小分辨率为
2- n。表1-2给出了16种Q表示法及其所表示的十进制数
范围。
第1章
绪论
表1-2 Q表示法及其表示的十进制数范围
Q16.-1(-65536~65535或仍是(-32768~32767)单位2V)， Q17.-2(4V)……， Q-1.16(1/65536V)，Q-2.17 ……
第1章
绪论
DSP 与 单 片 机 相 比 速 度 要 快 得 多 。 如 果 以 TMS320C54x系列和51系列单片机相比：
上例DSP芯片可以单周期完成16位乘加并行操作及
数据存取操作，用时10ns(100MHz主频)。 51单片机是8位机， 16位乘要分成两部分交叉相乘， 然后相加，累加和移位要分成4部分。只有一个累加器 A承担所有运算，数据传送多。约需100条指令，以每 条指令用时0.2 μ S算，共用时20 μ S，比DSP慢2000倍。 实际差别没有这么大，此例用DSP长项比MCU短项。
OMAP59xx。
第1章
绪论
3. DSP的结构特点 DSP芯片与单片机的主要区别在于数值处理和高速控制。
DSP从结构上进行优化，使其更适合于数字信号处理中
大量的运算特点，从而高速实现IIR、FIR和FFT等数字信号 处理。针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统
和数据流程上做了大的改动。其特点如下：
第1章
绪论
数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)可 看成是功能更强大的单片机，特别是运算能力突出。 是现代电子技术、大规模集成电路、计算机技术和数 字信号处理技术相结合的产物，特别适合于数字信号
数字信号处理-绪论ppt课件
xa (t) T 2T
x(n)
7 5
44
3
t0
1234
n -1 -3
8
数字信号处理器： x(n)y(n)
y(n)
0 1234
n
9
D/A变换器：
y(t)
0
模拟滤波器：
ya (t)
10
四. 数字信号处理的特点 1. 精度高 2. 模拟系统：由元器件确定（10-3）；数字 系统：由字长确定。 2. 灵活性高 数字系统的性能主要由乘法器的系数决定。 3. 可靠性高 只有“0”和“1”两个电平，受温度噪声影 响小。 4. 容易集成 规范性高，电路参数要求不高。
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5. 时分复用
... ...
输 入
多 路 开 数字信号处理器
关
多
输
路
出
开
关
同步
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6. 可获得高性能指标 如频谱分析：模拟方法10Hz; 数字方法10-3Hz.
7. 便于二维与多维处理 用存储一祯或数祯图象信号，实现二、多维 处理。
8. 速度不够高，工作频率也不够高 几十MHz以下。
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五. 本课程的特点 1. 数学工具多
微积分，概率统计，随机过程，高等代数， 数值分析，积分变换，复变函数等。 2. 要求基础强
网络理论、信号与系统是本课程的理论基础。 3. 与其它学科密切相连
与最优控制、通信理论、故障诊断、计算机、 微电子技术不可分，又是人工智能、模式识别、 神经网络等新兴学科的理论基础之一。
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六. 讲授内容与参考书 经典的： 1. A.V.Oppenheim ，“Digital Signal Processing” , 1975. 中译本有多种
数字信号处理 第1章绪论
理和利用的一门科学。 信号是信息的表现形式，而信息则是信 号所含有的具体内容。 数字化、智能化和网络化是当代信息技 术发展的大趋势，而数字化是智能化和 网络化的基础。
数字信号处理，就是用数值计算方法对数字序
列进行各种处理，把信号变换成符合需要的某 种形式。 数字信号处理学科的内容非常广泛，这主要是 因为它有着非常广泛的应用领域。 数字信号处理学科有着深厚而坚实的理论基础， 其中最主要的是离散时间信号和离散时间系统 理论以及一些数学理论。
《数字信号处理》习题解答，顾福年 胡光锐，科学出
版社，1983年8月第1版（电子版）
西安电子科技大学出版社，数字信号处理考研辅导。 Matlab Help Document：signal_Matlab.pdf
离散时间信号和系统
数字信号处理的对象是数字信号 处理的工具是数字系统
1.1序列
(0)＝2 3＝6
(1) 1 3＋2 2＝7
(2) 1 3＋1 2＋2 1＝7
(3) 1 1＋ 2＝3 1
(4) 1 1＝ 1
(5) 0
最后解得
(n) 6 (n) 7 (n 1) 7 (n 2) 3 (n 3) (n 4)
说明：线性移不变离散系统的输出序列等于输入序列和 系统单位抽样响应的线性卷积
即y(n) x(n) h(n)
2.2.3 系统的时域分析--差分方程
常系数线性差分方程： y (n) bi x(n i) ai y (n i)
i 0 i 1 M N
常系数：系数 i , ai是与n无关的常数 b 线性：x(n i), y (n i )各项均是一次项
数字信号处理绪论(2)
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(4)、容易大规模集成
由于数字部件具有高度规范性，便于大规模集 成、大规模生产，而对电路参数要求不严，故 产品成品率高。
尤其是对于低频信号：
例如，地震波分析需要过滤几赫兹到几十 赫兹信号，用模拟网络处理时，电感器、电容 器的数值、体积和重量都非常大，性能也不能 达到要求，而数字信号处理系统在这个频率却 非常优越。
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从不同角度分类电信号
（1）、一维信号、二维信号、矢量信号
信号的变量可以是时间，也可以是领串、 空间或其他的物理量。
若信号是一个变量(例如时间)的函数， 则称为一维信号；
若信号是两个变量(例如空间坐标x，y)
的函数，则称为二维信号；推而广之，若
信号是多个(例如M个， M ＞2)变量的函数，
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(7)、二维与多维处理
利用庞大的存储单元可以存储一帧或数 帧图像信号，实现二维甚至多维信号的 处理，包括二维或多维滤波、二维或多 维谱分析等。
由于数字信号处理的突出优点，使得它
在通信、语音、雷达、地震测报、声呐、
遥感、生物医学、电视、仪器中得到愈
来愈广泛的应用。
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五、数字信号处理的应用
输出均为数字信号。
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系统可分为线性的或非线性的。
系统可分为时(移)不变或时(移)变的。
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3．信号处理
信号处理：是研究用系统对含有信息的 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 的目的。
信号处理的内容
包括滤波、变换、检测、语分拆、估计、 压缩、识别等一系列的加工处理。
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
按自变量与函数值的取值形式不同分类：
时间 幅度 连续时间信号 连续 连续
continuous-time signal
离散时间信号 离散 连续
discrete-time signal
数字信号 离散 量化
digital signal
数字信号的处理
信号处理是研究用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。
一、数字信号与数字信号处理
信号(Signals) ：信息(information)的载体或物
理表现形式 ；或者说是传递信息的函数。
Signals are carriers of information
信号的分类：
- 一维信号 / 多维信号 - 周期信号 / 非周期信号 - 确定信号 / 随机信号 - 能量信号 / 功率信号 - 连续时间信号 / 离散时间信号 / 数字信号
三、DSP的特点和应用
▪ DSP的特点
- 高灵活性 - 高精度 - 高可靠性 易大规模集成、时分复用、可获得高性能指标等。
▪ DSP的应用
几乎涵盖了所有电子信息涉及的领域。
数字信号处理
教材： 《数字信号处理教程》（第三版） 程佩青 编 清华大学出版社 （有配套习题解答，作者、出版社相同）
总学时： 48
学时分配
绪论、第一章：6学时 第二章： 9学时（不讲2.8） 第三章： 9学时 第四章： 6学时（只讲4.1~4.5、4.10） 第五章： 3学时（不讲5.4） 第六章： 6学时（只讲6.1~6.5、6.7） 第七章： 6学时（只讲7.1~7.3、7.6）
信号处理的分类：
- 模拟信号处理
xa(t)
C R ya(t)
- 数字信号处理
x(n)
（实质：数值运算）
y(n) a 延时
二、DSP系统的基本组成和实现方法
DSP系统的基本组成
xa(t) 前置预 滤波器
A/D x(n) 数字 y(n) D/A
转换器
信号
转换器
处理器
模拟 ya(t) 滤波器
Analog
作业： 每周都会有适量作业，周一上课时收。 要求全交，计入平时考核 (含作业) 20%
与其它课程的关系
本课程为《信号与系统》的后续课程，讨论用数 字形式表示信号时，信号的描述与变换、系统的 描述、设计与实现等。
本课程为后续诸多专业课程的基础，只要用到信 号分析、系统设计与分析，都会用到本课程理论。
DSP系统的实现方法
1. 软件实现法：在通用计算机上实现。 缺点：速度慢
2. 硬件实现法：采用专用芯片实现。 缺点：通用性差。
3. DSP芯片法：采用通用DSP芯片。 这样的芯片是专为 DSP设计的，为提高处理
速度使用了多总线、并行处理、硬件乘法器等。 同时，通过编程可在同样的芯片上实现不同功
能，有一定通用性。
Equivalent analog signal processor PrF ADC DSP DAC PoF
Analog
PrF: (Prefilter) --- antialiasing filtering PoF: (Postfilter)--- smooth out the staircase waveform
绪论
数字信号处理 ( Digital Signal Processing, DSP )是指 将信号表示为数字形式的序列、通过数值计算以达到 信息变换的目的。 DSP是在传统模拟信号与模拟系统的基础上发展 起来的，随着其内容的日臻完善而成为一套理论，但 本课程的学习需要有模拟信号与系统作为基础。 本套理论体系内容多、发展快，作为本科课程， 我们只学习其中的基础知识。