第00章-绪论--数字信号处理[刘兴钊][电子教案]
北邮信通院数字信号处理课件DSP01_绪论
北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东电信工程学院多媒体通信中心门爱东教授menad@数字信号处理Digital Signal Processing第1 章绪论2北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东D igital S ignal P rocessing , Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT主题概述0 –前言1-绪论2 -离散时间信号和离散时间系统3-离散傅里叶变换及其快速计算方法4-IIR 数字滤波器设计和实现5 -FIR 数字滤波器设计和实现6 -数字信号处理中的有限字长效应3北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东D igital S ignal P rocessing , Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT前言：课程内容掌握离散时间系统的基本特性和离散信号的变换数字信号的定义和特点离散系统的普遍关系（线性、时不变、稳定性、因果性、离散卷积） 离散信号的Z 变换和离散时间傅氏变换DTFT 离散系统的描述时域：差分方程y(n)、脉冲响应h(z) 变换域：传输函数H(z)、频率响应H(e )掌握离散傅里叶变换原理，能够应用DFT 分析信号频谱离散付氏级数DFS有限长度离散傅氏变换DFTDFT 的应用，用DFT 求有限长序列的线性卷积以及分段卷积、频谱分析快速离散傅氏变换FFT （时间抽选法、频率抽选法）掌握数字滤波器的原理，能够设计数字滤波器IIR 数字滤波器的原理、设计和实现结构 FIR 数字滤波器的原理、设计和实现结构 理解字长效应，掌握数字信号处理的实际实现能够用MATLab 解决数字信号处理相关的问题 了解多取样滤波的原理、应用和发展4北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东D igital S ignal P rocessing , Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT主题概述1 -绪论1.1 数字信号处理的定义、特点和方法1.1.1 定义1.1.2 数字信号处理的特点1.1.3 数字信号处理的方法1.1.4 数字信号处理的两个重要类别1.1.5 数字信号处理系统1.2 数学预备知识1.2.1 傅氏变换1.2.2 特殊的模拟函数2 -离散时间信号和离散时间系统3-离散傅里叶变换及其快速计算方法4-IIR 数字滤波器设计和实现5 -FIR 数字滤波器设计和实现6 -数字信号处理中的有限字长效应7 –多率信号处理5北京邮电大学电信工程学院多媒体通信中心门爱东D igital S ignal P rocessing , Men Aidong, Multimedia Telecommunication Centre, BUPT1.1 数字信号处理的意义、特点和应用1.1.1信号的定义和分类信号：信息的物理表现形式，一般表现为随时间、空间或其它独立变量变化的某种物理量（传递信息的函数）。
数字信号处理 刘兴钊和李力利的教材习题详解(第2版)--参考答案
习题详解第1章单项选择题（1-1—1-10题） 1-1 关于序列[]x n 的自相关 *[][][]xx k r n x k x k n ∞=-∞=+∑，错误的是（D ）（A ）[0]xx r E =，E 是序列的能量 ； （B ）*[]x n -的自相关等于[]x n 的自相关； （C ）[]x n m -的自相关等于[]x n 的自相关，m 是任意整数； （D ）[][]xx xx r n r n -=。
解：（A ）*[0][][0]xx k r x k x k E ∞=-∞=+=∑（B ）[]x k 共轭翻褶再左移n 得到*[()]x k n -+***[]'[][][()][']['][]xx n k k r n x k x n k x k n x k r n ∞∞-=-∞=-∞=--+=+=∑∑（C ）**[][]'[][()][()][']['][]x n m x n k k r n x k m x k n m x k x k n rn ∞∞-=-∞=-∞=-+-=+=∑∑（D ）***[][][][']['][]xx xxk k r n x k x n k x k n x k rn ∞∞=-∞=-∞-=-+=+=∑∑若[]x n 是实序列则自相关偶对称1-2 序列11[]5cos(63x n n ππ=-的周期是（A ）（A ）12 （B ）11 （C ）12/11 （D ）6 解：21211116ππ=，所以周期121-3下列系统因果且稳定的是（B ）（A ）{[]}2[]nT x n x n = （B ）{[]}[][1]T x n x n u n =-+（C ）10{[]}log []T x n x n = （D ）55{[]}[]n k n T x n x k +=-=∑1-4下列系统线性且时不变的是（B ）（A ）0{[]}[]nk n T x n x k ==∑（B ）00{[]}[]n n k n n T x n x k +=-=∑（C ）[]{[]}0.5x n T x n = （D ）{[]}[]T x n x n =-1-5有一系统输入为[]x n ，输出为[]y n ，满足关系[]([][2])[]y n x n u n u n =*+，则系统是（A ）（A ）线性的 （B ）时不变的 （C ）因果的 （D ）稳定的 解：()12121212(){[][]}([][][])[]([][])[]([][])[]{[]}{[]}(){[1]}([1][])[][1]([1][])[1]var ()[][][2]k A T ax n bx n ax n bx n h n u n a x n h n u n b x n h n u n aT x n bT x n linearB T x n x n h n u n y n x n h n u n time iantC y n x n k u k =-+=+*=*+*=+∴-=-*≠-=-*-∴-=-+2[][][]([2]...)[],()k u n x n k u n x n u n non causal D unstable∞∞∞=-⎛⎫⎪⎝⎭⎛⎫=-=++∴- ⎪⎝⎭∑∑1-6 LTI 系统的单位脉冲响应如下，因果且稳定的是（C ）（A ）][2][n u n h n =（B ）]1[][--=n u a n h n （C ）][)5.0cos(][10n R n n h =（D ）[][2][2]h n u n u n =+--1-7 关于LTI 系统，以下说法正确的是 （C ）（A ）IIR 不能实现； （B ）IIR 是非因果系统； （C ）IIR 不一定稳定； （D ）IIR 不如FIR 好。
第一章绪论(数字信号处理)
二阶系统 的单位阶 跃响应
★ 连续信号的幅值可以是连续的，也可以是离散的。 模拟信号：时间和幅值均为连续的信号常称为模拟信号。 数字信号：幅值也离散的量化了的离散信号，称为数字信号。
在实际应用中，连续信号与模拟信号两个名词常常不 予区分，离散信号与数字信号两个名词也常互相通用。一 般，在研究理论问题时常用“连续”、“离散”二词，而 讨论具体的实际问题时常用“模拟”、“数字”二词。
根据这一定义， （1）系统可大可小，一个大的系统可以分成若 干个小系统。 （2）处理或变换软件也是系统
按处理的信号种类不同可分为： （1）模拟系统：处理模拟信号，系统的输入输出均为连续
时间连续幅值的模拟信号 （2）连续时间系统：处理连续时间信号，系统的输入输出
均为连续时间信号。 （3）离散时间信号：处理离散时间信号——序列，系统的
离散信号通常是对连续信号等距采样的结果。
（4）确定性信号与随机信号
确定性信号
周期信号一 谐般 波周 信期 号信号 非周期信号一准般周非期周信期号信号
非确定性信号
平稳随机信号非各各态态历历经经信信号号
非平稳随机信号
（1） 确定性信号 可以用明确的数学关系式或图表、图象来描述的信号。
0
t
⑧一般性的非周期信号
❖ 非确定性信号：每次实验观测结果都不相同，无法用数学关系
式或图表描述其关系。正如其名字“非确定”， 具有随机性，是没有规律可以遵循的，具有不 重复性、不确定性、不可预估性 。 它的另外一个名字叫做“随机信号”。 对于非确定性信号，不能对它准确预测，只能用概率统计的 方法由过去估计未来。 例 ① 汽车奔驰所产生的振动； ② 飞机在大气中的浮动； ③ 树叶随风飘动； ④ 环境噪声；
数字信号处理_DSP__刘兴钊_习题答案_完整版
*
∞
（B） x[k ] 共轭翻褶再左移 n 得到 x [−(k + n)]
*
rx* [ − n ][n] =
k =−∞
∞
∑
∞
x[− k ]x*[−(n + k )] =
*
k '=−∞
∑ x[k '+ n]x [k '] = r [n]
* x
∞ * k '=−∞ x[ n ]
4
1-21 证明：当输入全为零时，线性系统的输出也应该全为零。 证明： 设输入 x1 [n] = 0 ， 因为线性， 所以 T {ax1[n] + bx2 [n]} = T {bx2 [n]} = aT {x1[n]} + bT {x2 [n]}
所以 T {x1[n]} = 0
1-22 对于下列系统，试判断系统的因果性、稳定性、线性和时不变性。
axnxkhnkhkhnkkhnkxnxn??b412121212xnkhkkhkxnxnkkkhnhnxnhkxnxnkhkhnhn???c12121221212112xnhnxkhn??xkhmxkxkkhmxkhmxnkmkkmkmkmhnkhnkhn??mhnmhmkhnmhnkmhnhn?????????????????????????hn?????????xn118已知yn?证明aynxnhnnnn???????????????b1yn1xn1hnnnnnnn??????????????????解
δ [n] + aδ [n − n0 ] ，单位阶跃响应 s[n] = u[n] + au[n − n0 ] 。
1-15 线性常系数差分方程为 y[n] − y[n − 1] +
西交大数字信号处理课件-0绪论
• 绪论 • 信号与系统 • 数字信号处理的基本原理 • 数字信号处理的实现方法 • 数字信号处理的发展趋势与展望
01
绪论
数字信号处理简介
数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及多 学科的交叉学科，主要研究如何利用数 字方法对信号进行采集、变换、分析和
将Z平面上的复数映射回时域，得到原始的 离散信号。
离散时间系统的稳定性
系统对输入信号的响应是否随时间无限增 长的性质。
离散时间系统的因果性和稳定性 关系
因果性保证系统对过去和现在输入的响应 只影响未来输出，稳定性则保证系统对输 入的响应不会无限增长。
离散傅里叶变换（DFT）与快速傅里叶变换（FFT）
傅里叶变换
将时域信号转换为频域信号，用于分析信号 的频域特性。
离散傅里叶变换（DFT）
对有限长度的离散信号进行傅里叶变换，得 到信号的频谱。
快速傅里叶变换（FFT）
高效计算DFT的算法，大幅度减少了计算量。
DFT和FFT的应用
频谱分析、滤波器设计、信号去噪等。
04
数字信号处理的实现方法
数字信号处理器的结构与特点
离散信号与系统
离散信号
在时间或数值上取样点的集合，通常由数字或符号表示。
离散系统
在离散时间点上对输入信号进行处理并产生输出信号的数学模型。
离散信号的特性
幅度、频率和相位。
离散系统的特性
线性、时不变性和因果性。
Z变换与离散时间系统
Z变换
逆Z变换
将离散信号映射到复平面上的数学工具， 用于分析信号的频域特性。
嵌入式应用
数字信号处理技术在嵌入式系 统中的应用越来越广泛，推动 了智能硬件的发展。
信号处理 刘兴钊和李力利的教材习题详解(第2版)
[n]
若 x[ n] 是实序列则自相关偶对称 1-2 序列 x[n] 5cos(
（A）12 （C）12/11 解： 2 12 ，所以周期 12 11 11 6
11 n ) 的周期是 6 3 （B）11 （D ）6
（A）
1-3 下列系统因果且稳定的是 （A） T {x[ n]} 2 x[n ] （C） T {x[ n]} log10 x[n] 1-4 下列系统线性且时不变的是
1-18 已知 y[ n] x[n] h[n] ，证明
n n n （a） y[ n] x[n ] h[ n] （b） 1 y[ n] 1 x[ n] 1 h[ n] n n n n n n
(b) x[ n ] R5 [ n 2] [ n 3]
3
(c) x[ n] ( 0.5) n u[ n] 解：
(d)
x[ n] u[ n 2]
1-17 证明卷积的交换律、结合律和分配律。 证明： （a） x[n]* h[ n] x[k ]h[n k ] x[n k ']h[k '] h[n]* x[n]
Βιβλιοθήκη 解： （a） n
k
y[n]
n k
x[k ]h[n k ]
k
x[ k ] h[n k ]
n
x[ k ] h[ n ']
n '
（ b）
n n k k n n n
[n] a [n n0 ] ，单位阶跃响应 s[n] = u[n] au[n n0 ] 。
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
中国地质大学《数字信号处理》教案
1）数字信号处理的发展历史；
2）数字信号处理系统的基本组元；
3）数字信号处理的硬件实现；
4）数字信号处理的研究领域；
5）数字信号处理的主要特点。
要求学生了解介绍数字信号处理的发展历史、研究对象、范围及特点、掌握信号的基本概念与分类，深入理解离散时间信号和数字信号的不同之处。
习题：
1、将 展成Fourier复指数形式。
思考题：
1、已知实值带通信号xc(t)对于|f|<f1和|f|>f2，Xc(f)＝0[注：Xa(j)＝2fXc(f)]，Nyquist采样定理表明最小采样频率fs＝2f2。然而，此信号可以用更低的频率进行采样。
(1)假设f1＝8kHz，f2＝10kHz，画出当fs＝1/T＝4kHz时离散傅氏变换的示意图；
本章共6学时，具体内容如下：
1、离散时间傅立叶变换
1）系统对复指数序列的稳态响应
2）离散时间傅氏变换
3）离散时间傅氏变换的对称性
2、Z变换与拉普拉斯变换、傅立叶变换的关系
1）Z变换与拉氏变换之间的关系
2）序列的Z变换和傅氏变换之间的关系
3）系统的变换域分析
1）系统函数与频率响应
2）理想频率选择性滤波器
(1) ；(3)
(2) ；(4)
3、假设x(n)只在0nN1内有非零值，且x(n)的Z变换为X(z)，由x(n)可以构成周期序列y(n)，即
试求
4、用Z变换求下面两个序列的卷积
5、已知x(n)＝anu(n)，h(n)＝bnRN(n)，0<|a|，|b|<1，试用直接卷积法及Z变换法求y(n)＝x(n)*h(n)。
在离散时间信号与系统的频域分析中，对一个信号序列进行Z变换，将时域信号转换到Z变换域内进行分析。之所以要利用Z变换，其主要原因是傅氏变换并不是对所有信号序列都能收敛，而Z变换则能适应于这种信号序列转换。Z变换在离散时间系统的作用和拉氏变换在连续时间系统中的作用一样，它能把描述离散时间系统的差分方程转化为简单的代数方程，极大地简化了求解过程。所以，对离散时间系统而言，Z变换是一种非常重要的适合于频率域（变换域）分析的数学工具。
数字信号处理(刘顺兰)(第二版)全书章 (1)
第1章 离散时间信号与系统
设连续正弦信号xa(t)为
xa (t) Asin(0t )
这 一 信 号 的 频 率 为 f0 ， 角 频 率 Ω0=2πf0 ， 信 号 的 周 期 为 T0=1/f0=2π/Ω0。
如果对连续周期信号xa(t)进行采样，其采样时间间隔为 T， 采样后信号以x(n)表示，则有
x(n) Asin(n0 )
这就是我们上面讨论的正弦型序列。
第1章 离散时间信号与系统
下面我们来看2π/ω0与T及T0的关系，从而讨论上面所述
正弦型序列的周期性的条件意味着什么？
2 2 1 2 1 1 T0
0
0T
2f0T f0T T
这表明，若要2π/ω0为整数，就表示连续正弦信号的周期T0应为采
第1章 离散时间信号与系统 图 1-1 离散时间信号x(n)的图形表示
第1章 离散时间信号与系统
离散时间信号常常可以对模拟信号(如语音)进行等间隔 采样而得到。例如，对于一个连续时间信号xa(t)，以每秒fs=1/T 个采样的速率采样而产生采样信号，它与xa(t)的关系如下：
x(n) xa (nT )
x(n) x(m) (n m) m
(1-14)
由于
(n
m)
1
mn
0 m n
第1章 离散时间信号与系统
则
x(m)
(n
m)
x(n)
0
mn 其他m
因此，式（1-14）成立，这种表达式提供了一种信号分析工具。 例如，图1-9所示的序列用式（1-14）表示为
x(n) 2 (n) 3 (n 1) (n 2) (n 3)
6
解
该序列的数字域频率为
0
《数字信号处理教程》(第三版)绪论
《数字信号处理教程》(第三版)绪论《数字信号处理教程》(第三版)《数字信号处理教程》(第三版)绪1、信号(1)信号及其基本特征论一、信号、系统和信号处理信号很广泛：如语音信号、图像信号解释：一个随着时间变化的物理量。
物理信号话筒电信号信号处理电信号物理信号扬声器信号最基本的参数：频率、幅度《数字信号处理教程》(第三版)(3-30)kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航)甚低频(30-300)kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)低频(300~3000)kHz:Medium frequency(调幅广播)中频(3-30)MHz:High frequency(HF)(无线电爱好者，国际广播，军事通信无绳电话，电报，传真)高频(30-300)MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM,甚高频电视)甚高频(0.3~3G)Hz: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，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)《数字信号处理教程》(第三版)(2)信号的分类单色信号和复合信号单色信号：只有单一的频率。
例：sin t, f 50Hz 100复合信号：各种正弦频率分量的合成。
我们通常考虑它的频带宽度。
例：一个高品质的音响信号带宽20kHz 一个视频信号的带宽是6MHz 我们通常处理的是复合信号。
《数字信号处理教程》(第三版)连续时间信号和离散时间信号连续时间信号：随时间连续变化的信号，它们在一个时间区间里的任何瞬间都有确定的值。
离散时间信号：只在离散的时间点有确定的值，通常是对连续信号进行采样得到的。
数字信号处理导论绪论PPT学习教案
第40页/共59页
Why digital?
(7) Error Correcting Codes Data retrieval and transmission systems suffer from a number of potential
resistors, capacitors and operational amplifiers will change along with temperature, humidity
Digital system：will show no variation with temperature
throughout their guaranteed operation range.
第10页/共59页
3. 数字信号处理的理论
基 础
数学: 微积分, 线性代数, 概率, 随 机过程, 数论, 近世代数
信号与系统, 计算机
现代通信原理、现代控制理论
发 模式识别、最优化、神经网络 展 系统辨识、 振动测试
生物医学工程
第11页/共59页
1. 信号抽样与采集理论;
2. 信号分析理论: Z变换, 离散傅里叶变换
汽车电子
第32页/共59页
汽车电子
中国每年的汽车产量和销量 已超过1000万辆，成为世界 汽车大国，发展速度居世界 第一。来自IC Insight的数据 显示，全球平均每辆汽车中 的电子器件价值从1990年的 672美元提升至2004年的2132 美元。预计2010年每辆汽车 中的电子器第33页件/共5占9页 总价值将由 2001年的23%增加到35%，而
数字信号处理教学设计研究.pdf
一、系统设计 数字信号处理中信号表示部分包括基于奈奎斯特采样定理的模拟到离散信号的抽样，离散序列的基本运算（重点是卷积和）；信号变换部分包括z变换，离散时间傅里叶变换DTFT，离散傅里叶变换DFT，三者之间的关系由频域采样定理确定，三种变换依次在z平面、单位圆、圆上采样点的取值；信号处理部分主要是数字滤波器的设计，包括有限长冲激响应FIR滤波器和无限长冲激响应IIR滤波器。
奈奎斯特采样定理决定了时域信号采样后是否会发生频谱的混叠，频域采样定理决定了频域抽样后是否会在时域序列产生混叠。
本演示系统的构建依照以上内容进行设计，主要通过七大模块来展现：序列运算、Z变换、离散傅里叶变换、奈奎斯特采样定律、IIR滤波器设计、FIR滤波器设计以及窗函数绘制，并将此七个模块集成在一个导航窗体中（图1所示），层次清晰，功能明了。
二、模块说明与演示 信号从连续性的角度来说可以分为连续信号、离散信号与量化信号。
在通信工程本科信号处理理论教学中主要是以前两者为主的，其中离散信号为离散时间信号，简称序列。
因而序列是学习《数字信号处理》课程的基础，也是研究的主体。
所以本平台首先要对序列进行简单的计算。
在序列运算模块中包括序列的加、减、乘积、卷积。
序列可以数列的形式直接输入，或从文件直接导入，完成相应的计算后可直接展示在该界面，或导出到文本中，亦可通过点击“绘图”按钮在figure界面中直观查看序列波形。
为更加清楚地了解卷积过程，在“操作类型”中选择“动态卷积”，点击“绘图”后可动态观察序列的翻褶、移位、相乘、相加的过程。
与序列的z变换紧密相连的是线性时不变系统的系统函数H（z），通过H（z）的零极点分布可以清楚地判定系统的因果稳定性，并与后续IIR与FIR滤波器设计息息相关。
本平台将z变换演示界面分成上下两部分。
上部分通过回调函数直接调用ztrans.m计算给定因果序列的z变换，显示计算结果（以z的降幂排列），并可绘制零极点图；下部分是按照用户定义的系统函数的分子、分母的系数（按照z降幂排列）确定其零极点分布，从而分析系统的因果稳定性。
数字信号处理-序论(第1章)v3.0
Digital Signal Processing－principle －processing technologyIntroduce myselfName:管庆 Work in:140LAB-302 Room Phone:83201455(office) E-mail:qguan@1Contents1. The analysis and process of Discrete-Time Sequences and Systems in TimeDomain . (CH2) 2. DT Signal and LTI System in the Transform-Domain. The relationship among DTFT,DFT&ZT, the concept of Discrete-Time frequency response. (CH3,CH5,CH6) 3. The digital processing of continuous signal and the concept . (CH4)contents4.LTI DT System in Transform Domain and the structure of Digital Filter (CH7,CH8补) 5.The two design methods of Digital Filter (LP): Bilinear Transformation Method(IIR) & Windowed Function Method(FIR). And the physical concepts of the Digital Filter’s parameters. (CH9,CH10) 6.The algorithm idea of FFT, and use FFT to perform engineering computation. (CH5补)2contents7.The ADC Quantization concept and the Limit Cycles in IIR Digital Filters caused by Finite Wordlength Effects. (?) 8. About MATLAB tools and How to use the function of MATLAB ? Number of class: 64(include experiment:8)Reference books:Sanjit K. Mitra著，孙洪等译：“Digital Signal Processing—A Computer-Based Approach”(第三版， 上册）,电子工业出版社, 2006 [美]A.V.Oppenheim著，刘树棠、黄建国译: “Discrete-Time Signal Processing”, 西安交通大学出 版社，2002 程佩青：“数字信号处理教程”(第二版），清华大学 出版社，2001 应启珩、冯一云、窦维蓓：“离散时间信号分析与处 理”，清华大学出版社，2001 高西全、丁玉美、阔永红：“数字信号处理—原理、 实现及应用”，电子工业出版社，2006 胡广书：“数字信号处理—理论、算法与实现（第二 版）”，清华大学出版社，20033About examinationStyle:open-exam 成绩组成： 1.平时成绩 20% (出勤+作业+实验报告) 2. 中期考试 20% (5章结束后) 3. MATLAB上机考试 20% 4. 期末考试 40%Q&ATIME: 7:45 - 9:30 PM ADDRESS: (以网上公布为准) 周一，朱学勇，907 周二，管庆，302 周三，杨炼，302 周四，刘洪盛，9074Arrangement of ExperimentStart from 11 weeks All 8 learning hours, each time 2 hous The examination of MATLAB is arranged at the last time !Four experiments: Discrete signal’s generated，Analog signal’s sampled、Design FIR filter & FFT’s implemented All experiments should be done in Matlab !Learning From …...We haved learned “Signal and System”, and We have knowed some base concept: Continuous-Time Signal,Time-Domain, Impluse-response , Frequence-Domain, FT, FILTER, … Now we are learning “Digital Signal Processing”, the theory about processing Discrete-Time Signal . So we can use PC or DSP chips to compute !5Learning From …...Then we will learn “DSP Technology” to implement all algorithm of Digital Signal Processing !Welcome to our excellent course website !6What is DSP? Digital Signal ProcessingTheory, method, algorithmDigital Signal ProcessorA kind of microprocessor used to implement digital signal processing algorithmChapter One: Signal and Signal ProcessingVery simple: 1.Characterization and Classification of signals 2.typical Signal Processing Operations 3.Examples of Typical Signals71.What is a Signal?A signal is a function of independent variables such as time, distance, position, temperature, and pressure. Eg: speech signal, image signal, video signal Classification of signal: One-dimensional(1-D),Two-dimensional(2-D) and Vector signal(M-D) Periodic and Non-periodic Signal(3) Deterministic and Random signal (4) Energy and Power signal (5) Continuous-time, Discrete-time and Digital signal Analog Signal & Digital Signal : Analog signal: A continuous-time signal with a continuous amplitude. Digital signal: A discrete-time signal with discrete-valued amplitudes represented by a finite number of digits .8xa (t)0 txa (nT)t 0 T 2T 3Tx (n )的二进制数0110 0111 1100 0011 0100 0011 1001 0 1 2 3 4 5 6 7 …… 0 1 2 3 4t 8x(n)n2. What is signal processing?The objective of signal processing is to extract useful information carried by the signal. it is concerned with the mathematical representation of the signal and the algorithmic operation. For processing these signals, we usually transform them into transform-domain.9Typical Signal Processing Operations: Elementary Time-Domain Operations Filtering Generation of Complex Signals Modulation and Demodulation Multiplexing and Demultiplexing Quadrature Amplitude Modulation Signal Generation3.Examples of Typical SignalsPlease look at your book about all kinds of signal.10The basic framework of a DSP systemxa(t)Pre-filter AD x(n) DSPxy(n) DAAnalog filterya(t)1.Pre-filter:get rid of the frequency components we don’t interested. 2.ADC:transform analog signal into digital signal. 3.DSP:process the digital signal.Eg:convolution,correlation,filter… 4.DA:to transform digital signal into analog signal. 5.Analog filter:filter the high frequency that is needless. Look at next figure sequences to show the process of DSP:11Signal Processed by DSPSubjects of DSPThe analysis of DT-LTI system The analysis of DT signal in time-domain & frequency-domain, DFT theory AD,DA technology,sampling, multi-rate sampling, quantization noise…. Digital filter Spectrum analysis and FFT, convolution, correlation.12Subjects of DSPAdaptive signal processing Signal estimation, include power spectrum and correlation function estimation Signal compression, include speech and image compression Signal modeling, include AR,MA,ARMA Other special algorithm (decimation and interpolation…) DSP implementation and application.DSP application1.Programmable swithes:132.Mobile communication system:3.Digital camera:144.High Definition TV5.family cinema156.Walkman and DVD7.Flight simulator168.Global Position System(GPS)9.Radar1710.Image recognition11.Software radioLNABPFBPFADCDSPaudio Digital videoLocal oscillator18More application19。
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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）
13
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
23
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) 。
24
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。
9
原始图像
低通滤波后
高通滤波后
9*9的摸板
10
1.3 implementation of digital signal processing 1. software
flexible; slowly
2. hardware Fast, small; no flexibility
3. hardware and software
14
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
15
Example of hardware and software realization
AD1848
ADSP2181
PC DISK
16
Real-time implementation
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。
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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。
19
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
20
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
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）。
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）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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
26
LSB水印简介
27
1.5 Application of digital signal processing (A)communications (B)entertainment (C)medicine (D)military (E)exploration (F)archaeology
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.
SCM (Single Chip Microcomputer ) FPGA programmable DSP chip（digital signal processor） fast，flexible
11
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。
34
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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5
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
6
2 What is digital signal processing
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。
8
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
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