数字信号处理导论

可靠性高
Stability
Analog system：the characteristics of analog system components, resistors, capacitors and operational amplifiers will change along with temperature, humidity.
x(t)=x(t+kT0) 或 x(n)=x(n+kN) k为正整数； k,N皆为正整数，
则x(t)或x(n)是周期信号，周期分别为T0和N； 否则就是非周期信号。
确定信号和随机信号
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；它的值可以用有限个参量来 唯一地加以描述。 例：直流信号、阶跃信号、正弦波信号 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。 例：许多自然现象所发生的信号、语音信号、图像信号、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。
数字系统：只有两个信号电平0，1受噪声及环境条件 的影响小。数字系统宜采用大规模集成电 路，其故障率远远小于采用众多分立元件 构成的模拟系统。
Very Large Scale Integrated circuit
时分复用
利用DSP同时处理几个通道的信号。 某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙时 间，因而在同步器的控制下，在此时间空隙中送入其他 路的信号，而各路信号则利用同一DSP，后者在同步器 的控制下，算完一路信号后，再算另一路信号，因而处 理器运算速度越高，能处理的信道数目也就越多。
灵活性高 Programmability
Analog system：Modify hardware design. Digital system：Modify software.
数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且 系数存放于系数存储器内，只需改变存储的系数， 就可得到不同的系统，比改变模拟系统方便得多。
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。
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。
（信号的频谱分析和数字滤波）
How to learn?
二、课程的特点 （数学工具要求高、应用性强）

三、课程的学习方法与要求 （课上、作业、实验）
课程教学大纲



四、课程的性质和目的 五、课程的研究对象 六、课程的安排与考核 七、主要教材和参考书
绪

论


一、信号、系统和信号处理 二、数字信号处理系统的基本组成 三、数字信号处理的学科概貌 四、数字信号处理的特点 五、数字信号处理的应用
What is DSP？
狭义理解可为 Digital Signal Processor 数 字信号处理器。

广义理解可为Digital Signal Processing， 译为数字信号处理技术。

数字信号处理：把信号用数字或符号表示的序列， 利用计算机或通用（专用）数字信号处理设备，用数 值计算方法处理（例如：滤波、检测、参数提取、频 谱分析等），实现信号自身或有用特征的提取，达到 认识信号、利用信号的目的。
GPS(Global Position System)
Radar/Sonar
Cruise missile
Smart bomb from F117
Pattern recognization
Fingerprint distinguish
Development of DSP



Higher processing speed Multi-DSP co-operation Lower price or higher performance price ratio Lower power consumption or longer battery life ASIC based on DSP core
1 2 3 n
多路器
DSP
分 路 器
1 2 3 n
同步
We still need analog processing
（1）Real-Time Processing
Analog system：Besides the delay introduced by the circuit, the processing is in real-time. Digital system：Decided by the processor speed.
Digital system：will show no variation with temperature throughout their guaranteed operation range.
Anti-noise
模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受环境条 件，如温度、振动、电磁感应等影响，产 生杂散效应甚至振荡等。
Application Specific Integrated Circuit 特定用途集成电路
Just Do it.
Mobile phone
（Asymmetric Digital Subscriber Line)
ADSL
Digital Camera
Digital Camera
HDTV High Definition TV
DVD(Digital Video Disc)
Simulator of airplane
优点：可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。 用单片机 由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能较强。 优点：可根据不同环境配不同单片机，可实现实时控制， 但数据运算量不能太大。
利用通用DSP芯片
DSP芯片较之单片机有着更为突出优点。
其内部带有乘法器，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。
processing speed is limited by the S/H, A/D and processor speed.
(3)The most signals in real would are analog.
If we want to process these analog
signals with digital signal processing
（2）Processing very high frequency signals
Analog system：may process microwave,
mini-meter-wave, even light wave signals.
Digital system：By the Nyquist Rule，the
2、系统
系统：处理信号的物理设备。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可称之为系统。
系统分类 （a）连续时间系统 （b）离散时间系统
（c）模拟系统
（d）数字系统
3、数字信号处理
解释：数字信号处理是利用计算机或专用处理设备 ，以数值计算的方法对信号进行采集、滤波 、变换、压缩、增强、估计、识别等加工处 理，以达到提取有用信息和便于应用的目的。
二、数字信号处理系统的基本组成
xa(t) 前置
预滤 波器
采样 x (n)
A/D
数字 y (n) D/A 信号 处理器
模拟 ya(t) 滤波器
数字信号处理器的选择与实现 软件实现 专用DSP芯片 通用DSP芯片
数字信号处理器的实现方法
采用大、中小型计算机和微机 在工作站和微机上使用厂家的数字信号处理软件或自 己编写信号处理软件。
system, must change them into digital
form first by mixed signal processing.
五、数字信号处理的应用

滤波与变换
通信
语音 图像


消费电子
仪器 工业控制与自动化 医疗 军事
DSP Solution
Programmable switch
四、数字信号处理的特点
精度高 Precision
component specification
在模拟系统中，它的精度是由元件决定，模拟元 器件的精度很难达到10-3以上。而数字系统中，17位
字长就可达10-5精度，所以在高精度系统中，通常采
用数字系统。
ADC bits, CPU word width
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
（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 100 t， f 50Hz

Why do we need DSP?

在过去的数十年中，数字信号处理的领域， 无论在理论上还是技术上都有非常重要的发 展。 由于工业上开发和利用廉价的硬件和软件， 使不同领域的新工艺和新应用现在都想利用 DSP算法,使它成为本科教学内容。

What to learn?

一、课程的主要学习内容
1966年Kaiser提出数字滤波理论

在国际上，一般把1965年FFT的问世，作为数字信号处 理这一新学科的开端 30多年的发展，数字信号处理自身已基本上形成一套 较为完整的理论体系
源自文库
数字信号处理的理论







信号的采集（A/D）技术、取样定理、量化噪声分析 离散信号的分析（时域及频域分析、各种变换技术、 信号特征的描述等） 离散系统分析（系统的描述、系统的单位取样响应、 系统函数及频率特性等） 信号处理中的快速算法（快速傅立叶变换、快速卷积 与相关等） 信号的估值（各种估值理论、相关函数与功率谱估计 等） 滤波技术（各种数字滤波器的设计与实现） 信号的建模（AR、MA、ARMA等模型） 信号处理中的特殊算法（如抽取、插值、反卷积、信 号重建等） 信号处理技术的实现（软件实现、硬件实现）
目前市场上的DSP芯片有： 美国德州仪器公司(TI):TMS320CX系列 AT&T公司dsp16,dsp32系列 Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列 AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列 利用专用DSP芯片
三、数字信号处理的学科概貌

1945 年Bode Schanon提出了采样定理 1955年国际上第一次开设了数字滤波器课程 1965年Corly-Tukey发明了快速傅立叶变换（FFT），
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。
时间 幅度
连续 时间 信号 离散 时间 信号 数字 信号
连续 连续
离散 连续
离散 量化
周期信号和非周期信号
若信号满足：