第00章-绪论--数字信号处理[刘兴钊][电子教案]

MPEG-1 layer3 编码器框图
PCM 音频 失真控制 循环 和 非归一化 量化控制 循 环 霍夫曼 编 码 MP3 码流
分 析 子 带 滤 波
MDCT
格 式 化 和 CRC
边信息编码 心理声学模型
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LSB水印简介
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1.5 Application of digital signal processing (A)communications (B)entertainment (C)medicine (D)military (E)exploration (F)archaeology
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Hardware of a continuous-time low pass filter
R
x(t)
C
y(t)
signal flow graph of a discrete-time low pass filter (a>0)
x[n] a 延时 y[n]
Difference equation is y[n] x[n] ay[n 1]
未压缩的视频信号数据量640*480*24帧/秒=27Mbyte/s
(2)版权、认证
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音频压缩分：无损压缩和有损压缩
有损音频压缩技术除了去除音频信号的客观冗余以外，还利用 了人耳的听觉特性去除信号的主观冗余，以达到提高压缩比的 目的。
有损音频压缩原理简介 在安静的环境下，某一频率的声音刚好能被听见 的强度，体现出人耳对不同频率的敏感程度不同。
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存储器 （数据和指令）
地址总线
CPU
数据总线
冯•诺依曼结构
数据
存储器
地址总线
数据总线
CPU
地址总线
程序存储器
（或CACHE）
数据总线
哈佛结构（改进型）
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Example of programmable DSP chip
TI： 定点TMS320C1X,TMS320C2X/C2XX,TMS320C5X/C54X, TMS320C62XX 浮点TMS320C3X/C4X/C8X/C67XX。 ADI: 定点ADSP21XX；浮点ADSP21XXX AT&T:定点DSP16,DSP16A,DSP16C,DSP1610,DSP1616； 浮点DSP32,DSP32C,DSO3210 MOTOROLA:定点MC56000,MC56001,MC56002;浮点MC96002; 专用：MC56200,MC56156
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数字和模拟声音信号举例
声带等震动 气压变化和传播 麦克风的电压变化 模拟记录 数字记录 用磁性强弱记录 （1）磁带： 用密布的波状沟纹记录 （2）乙烯树脂唱片： 模拟信号 数字信号
用微粒被吸引至两个方向之一记录0和1 （3）磁盘： （4）CD光盘：用铝层表面的凹凸不平记录0和1串
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2 What is digital signal processing
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1.6 Three parts of this course
(1)Basis of discrete-time signal and systems (2)Structure and designing of filter (3)The discrete Fourier transform and FFT
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压缩的基本途径：心理声学模型得到信号的频域掩蔽曲线， 若某频率处信号的强度低于该频率处的掩蔽阈值，则不能被 人耳感受，可以去除；另外对于不能去除的频率成分，对其 进行量化以减少编码比特，其中选择量化阶的依据就是使量 化噪声低于掩蔽阈值，使人耳感觉不到，另外huffman等熵 编码（无损）也能进一步提高压缩比。
又如：音频信号的解压及回放 解压后的数据帧和正在回放的数据帧分别放在乒乓缓冲中 。解压程序速度必须高于回放速度。 18
1.4 Character of digital signal processing (1)higher precision
(2) higher flexibility
(3)higher reliability (4)cheaper (5)predictability (6)more process abilities：lossless compression, linear phase, Error Correction Encoding , regenerative repeater（中继再生）
Digital systems are those for which both input and output are digital signals.
Digital signal processing deals with the transformation of signals that are discrete in both amplitude and time. Its essential is operation of adding, multiplying, and delaying.
系统必须在有限的时间内对外部的输入信号完成指定的处理， 即信号处理的速度必须大于或等于信号更新的速度；从信号 输入到处理后信号输出的延迟必须足够小。
模拟信号 采样程序 ‘ 处理程序 数字信号 DISK
BUFFER1
BUFFER2
实时性取决于
算法复杂度 数据量（采样率） 设备的处理速度 缓冲大小
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例如：音频信号的采样及压缩（DSP或CPU执行程序） 分配乒乓（双）缓冲或循环（多）缓冲，每个缓冲大小 为一帧。采样程序（中断程序）采样数据并放在乒缓冲内，压 缩程序压缩乓缓冲内的数据。 如果乒缓冲被放满前，乓缓冲的数据已被压缩完并存入 硬盘，则压缩程序等待乒缓冲放满，然后压缩乒缓冲的数 据，采样程序继续采样并将数据放入乓缓冲。这就是实时处 理。如果处理速度低于采样速度，则当乒缓冲被放满时，乓 缓冲的数据还未被压缩完，采样程序就要等待压缩程序，即 采样的数据丢掉不存，这就是不能达到实时处理。 设采样率48KHz，帧长为 1152个采样点。则采样一帧的 时间为1152/48k=24ms，所以压缩一帧的时间须小于24ms 延时=采样时间+处理时间。
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1
1.1 什么是数字信号
信息是客观世界中各种事物的状态和特征的反映，是消息中包含的有意义的内容。 我们把信息的载体和表现形式称为信号。 表示成V(t),
x(t), or f(x,y).
信号的分类:
电信号、磁信号、声音信号、光信号、机械信号和热信号等； 一维、二维和多维信号； 周期信号和非周期信号； 确定信号和随机信号; 根据表示信号的函数的形式，即自变量和函数（信号幅值）的取值是连续数值还是离 散数值分成连续时间信号、离散时间信号、模拟信号和数字信号。 自变量和幅值均连续的信号称为模拟信号； 自变量和幅度均离散的信号称为数字信号； 自变量连续而幅值连续或离散的信号统称为连续时间信号； 自变量离散而幅值连续或离散的信号统称为离散时间信号。
2
连续型数值
离散型数值
3
x(t) 自变量不一定是时间
x[n]
4
自然界产生的信号一般都是模拟信号，数字信号由数字设备直 接产生或从模拟信号转换得到，称为模数转换（AD：Analog to Digital）。在某些情况下，还需要将数字信号转换成模拟信 号，称为数模转换（DA：Digital to Analog）。
CHAPTER 1 INTRODUCTION
1. 什么是数字信号
2.什么是数字信号处理 1.3. Realization of digital signal processing 1.4.Character of digital signal processing 1.5.Application of digital signal processing 1.6.Three parts of this course
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浮点与定点芯片的主要优劣比较
类 型
动态 范围
精 度
字长
程序开 发周期
功 耗
速 度
价 格
浮 点
定 点
大
高
32位（可扩至 40）
短
高
慢
高
小
低
16位
长
低
快
低
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Example of hardware and software realization
AD1848
ADSP2181
PC DISK
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Real-time implementation
Continuous-time systems are systems for which both input and output are continuoustime signals. Discrete-time systems are those for which both input and output are discrete-time signals.
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数字信号
1
0
1
0
1
1
基带信号
2FSK调制信号 基带传输后 的失真信号
数字基带信号和2FSK调制信号
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举例数字电视的优势 DTV ATV 信源编码 MPEG2 PAL/NTSC/SECAM 传输与接收 数字 模拟 主观质量 接近演播室 无法达到SDTV效果 只与压缩有关 受环境影响 先进的传输技术（信道编码、 调制、再生）去除环境影响 （例如多径干扰） 资源 节省功率（只10%）和频带 有禁用频道，临近频道 一个模拟频道传4路SDTV 不能用，2个频道传1 （或1路HDTV) 路节目 功能 环绕声； 单声道/立体声； 可传数据（菜单等文字信 只能在消隐期传少量数 息）；观众可自由选择节目 据； 的视频点播（VOD）；可移 不能移动 21 动转播
SCM (Single Chip Microcomputer ) FPGA programmable DSP chip（digital signal processor） fast，flexible
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Character of digital signal processor
采用改进的哈佛总线结构； 有硬件乘法器； 使用流水线结构； 有片内内存； 有一套专为数字信号处理设计的寻址方式和指令系统； 多芯片并行运行。
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DAT（数字磁带录音机） 个人数码产品 CD
MD（迷你唱片）
MP3播放机 VCD播放机 DVD播放机 数码相机 数码摄像机 数码扫描仪 PDA 数字手机
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数字电台和数字电视
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数字网络
因特网 办公室局域网 蓝牙技术为数码设备建立无线连接 信息高速公路
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虚拟现实技术
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电子纸张
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原始图像
低通滤波后
高通滤波后
9*9的摸板
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1.3 implementation of digital signal processing 1. software
flexible; slowly
2. hardware Fast, small; no flexibility
来自百度文库
3. hardware and software
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频率掩蔽现象：某一频率的声音的存在，使其邻 近频率的声音必须远高于静态掩蔽值才能被听到。 前者称掩蔽音(masking tone) ，后者称被掩蔽音 (masked tone) 。
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时间掩蔽现象：当某一较强的声音（掩蔽音）停止 后，与其邻近频率的另一较弱的声音（被掩蔽音） 要过一段时间才能被听见。时间掩蔽曲线表示掩蔽 音停止后过一段时间，被掩蔽音能被听见的强度阈 值。
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2D low pass filter
2D high pass filter
0 1/ 5 0 1 / 5 1 / 5 1 / 5 0 1/ 5 0
1 / 2 1 / 2 1 / 2 1 / 2 5 1 / 2 1 / 2 1 / 2 1 / 2
数字化产生的问题
(1)数据量大，压缩很关键 假设用48kHz、16bit来进行立体声采样 比特率为：48000*16*2/8=192K字节/S 一个汉字在电脑里占用两个字节，192K字节可以 存储9.6万个汉字（一部中篇小说）。 而MP3仅为128kbps=16k字节/S，压缩比12：1， 双声道需存储空间1M/分钟