数字信号处理基础
数字信号处理基础与数字滤波器设计原理
数字信号处理基础与数字滤波器设计原理数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是指对数字信号进行各种算法操作和处理的一种技术方法。
数字滤波器是数字信号处理的重要组成部分，它可以对信号进行滤波、去噪、增强等处理，广泛应用于通信系统、音频处理、图像处理等领域。
本文将介绍数字信号处理的基础知识以及数字滤波器的设计原理。
一、数字信号处理基础数字信号是以离散时间和离散幅度为特点的信号。
与之相对的是模拟信号，模拟信号是连续时间和连续幅度的信号。
数字信号处理主要涉及到离散时间信号的采样、量化和离散化。
其中，采样是指将连续时间信号在一定时间间隔内进行离散采样，量化是指将连续幅度信号离散化为一系列的数字值。
数字信号处理的基础操作包括信号的变换、滤波和频谱分析等。
信号的变换可以将信号从时域转换到频域，常用的变换方法包括傅里叶变换、离散傅里叶变换和小波变换等。
滤波是对信号中某些特定频率成分的增强或抑制，常用的滤波方法有低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波等。
频谱分析可以用于分析信号的频率特性，了解信号中包含的频率成分。
二、数字滤波器的基本概念数字滤波器是数字信号处理中最常用的工具之一，它可以从输入信号中选择性地提取或抑制某些频率成分。
根据滤波器的特性，可以将其分为无限长冲激响应（Infinite Impulse Response，IIR）滤波器和有限长冲激响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器。
无限长冲激响应滤波器是一种递归滤波器，其输出是输入信号与滤波器的冲激响应的卷积运算结果。
无限长冲激响应滤波器具有宽带特性和较好的频率响应，但在实际应用中会引入稳定性问题。
有限长冲激响应滤波器是一种非递归滤波器，其输出仅与输入信号和滤波器的系数有关，不涉及历史输入。
有限长冲激响应滤波器的稳定性较好，容易实现，并且可以通过调整滤波器的系数来实现不同的滤波效果。
三、数字滤波器设计原理数字滤波器的设计过程主要包括滤波器类型的选择、滤波器规格的确定和滤波器参数的计算。
数字信号处理基础
4∆x 3∆x 2∆x ∆x
t
量化误差 量化误差=量化电平－实际电平
最大量化误差为： 其绝对值为：
ε ( n ) max
∆x = ± 2
e = D 2b
一般来说，量化误差很小。通常假设A/D转 换器的位数为无限多，即量化误差为零。
增大程控增益实质上是通过减小动态范围D来减小 离散间隔 ，使得量 化电平更接近真实值
时域乘积对应 频域卷积
+∞
m = −∞
∑
采样结果
ˆ 理想抽样输出为： x(t) =
m=−∞
∑x(t)δ (t −mTs ) = ∑x(mTs )δ (t −mTs )
m=−∞
∞
∞
其频谱为：
1 ∞ 2π ˆ x( jΩ) = x( jΩ− jk ) ∑ Ts k=−∞ Ts
一个连续时间信号经过理想抽样后，其频谱将以抽样频率：
s (t )
时域采样
1
0
Ts
t
采样：就是利用周期性抽样脉冲序列 s (t ) 从连续信号 x(t ) 中抽
取一系列的离散值，得到抽样信号（或称抽样数据信号）即离散 时间信号，以 x(t ) 表示。抽样是模拟信号数字化的第一环节， ˆ 再经幅度量化编码后即得到数字信号 x (n) 。
x(t(t) ) ˆ x
信号数字化出现的问题
主要内容提要
时域采样、混叠和采样定理 量化与量化误差 截断、泄漏和窗函数 频域采样、时域周期延拓和栅栏效应 频率分辨力、整周期截断
引言—— 引言—— 数字信号处理的基本步骤
预处理 A/D 计算机 显示
预处理： 预处理： 电压幅值调理； 滤波； 隔离信号中的直流分量； 解调。 A/D转换： A/D转换： 转换 采样， 量化， 编码等。
数字信号处理第1章
…
x(n )
01 11
y(n )
11 21
z－ 1 z－ 1
并联型结构
0F 1F
1F 2F
z－ 1 z－ 1
…
数字信号处理基础－实现结构（IIR）
FIR的特点：
单位脉冲响应序列为有限个； 可快速实现； 可得到线性相位 滤波器阶数较高 IIR的特点： 滤波器阶数较低 可利用模拟滤波器现有形式
a N－ 1 aN
x(n －N)
z－ 1 b N
z－ 1 y(n －N)
直接Ⅰ型结构
…
数字信号处理基础－实现结构（IIR）
y (n) bi x(n 1) ai y (n i )
i 0 i 1
b0 a1 a2 z－ 1 z－ 1 b1 b2 x(n ) y(n )
M
N
… … …
若ai不等于0，输出依赖于以前的输出信号， 称为递归系统（有反馈）
y(n) ai y (n i) bl x(n l )
i 1 i 0
N
M
通常此时n趋于无穷大时，h(n)也不为0，对 脉冲响应无限长的系统称为IIR（无限长单 位脉冲响应滤波器）
数字信号处理基础－系统实现结构
数字信号处理基础－实现结构（IIR）
y(n) bi x(n i) ai y (n i)
i 0 i 1
x(n) x(n－ 1) x(n－ 2) b0 z－ 1 b 1 z
－ 1
M
N
y(n ) a1 a2 z－ 1 z
－ 1
y(n－ 1) y(n－ 2)
b2
…
…
…
…
数字信号处理基础
2014-11-25
20
表1.2 要求作公式用的几个Z变换
序列
Z变换
( n)
u ( n)
R N ( n)
1
收敛域
全Z平面
1 (1 z 1 ) (1 z N ) (1 z 1 )
解 由公式得 (n) x(n) y (n)
运算过程如下表格：
2014-11-25 7
m
x ( m ) y ( n m)
m
x(m) y(m) y(-m) y(1-m) y(2-m) y(3-m) y(4-m) y(5-m)
… -3 –2 –1 0 1 2 3 4 5… 3 2 1 2 1 1 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 2
数学语言描述： y (n) T [ x(n)]
2014-11-25
满足y (n n0 ) T [ x(n n0 )]
11
3 系统的单位脉冲响应
单位脉冲响应是指系统在单位脉冲序列 (n)作用下的响应 数学表达为 h(n) T [ (n)]
说明：线性移不变离散时间系统的输出序列等于输入序列和 系统单位脉冲响应的线性卷积
1 X ( z ) a u (n) z a z (az ) 1 1 az n n 0 n 0 ROC : az 1 1 z a
n n n n 1 n
z
2014-11-25
a的圆外
17
3 Z变换的性质
1）线性
X ( z ) Z [ x(n)] ROC ：R1 Y ( z ) Z [ y(n)] ROC ：R2 Z [ax(n) by (n)] aX ( z ) bY ( z ) ROC : R1 R2
数字信号处理基础-ppt课件信号分析与处理
4.filtering modified the spectrum of a signal by eliminating one or more frequency elements from it.
5.digital signal processing has many applications, including speech recognition,music and voice synthesis,image processing,cellular phones,modems,and audio and video compression.
2020/4/13
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第2章 模数转换和数模转换
2.1 简单的DSP系统(A Simple DSP System) 2.2 采样(Sampling) 2.3 量化(Quantization) 2.4 模数转换(Analog-to-Digital Conversion) 2.5 数模转换(Digital-to-Analog Conversion) 小结 (Chapter Summary)
2020/4/13
1.5 语音、音乐、图像及其他 1.5 SPEECH,MUSIC,IMAGES,AND MORE
DSP在许多领域都有惊人的应用，并且应用的数量与日俱增。
1）利用数字语音信号(speech signals)中的信息可以识别连续语 音中的大量词汇。
2）DSP在音乐和其他声音处理方面有着重要的作用。
数字信号处理基础
数字信号处理基础一、概述数字信号处理（Digital Signal Processing）是一种涉及数字信号的处理技术，包括数字滤波、谱分析、数据压缩、图像处理等等。
数字信号处理广泛应用于通信、音频、视频等领域，尤其在现代通信系统中占据着重要地位。
数字信号处理的基础知识包括离散时间信号、离散时间系统和傅里叶变换等。
本文将对数字信号处理的基础知识做进一步介绍。
二、离散时间信号1. 离散时间信号的定义离散时间信号是指信号的取样点只能在离散的时间间隔内取样。
其数学表达式可表示为：x[n] = x(nT)其中x[n]表示离散时间信号，x为实数或复数的函数，n为离散时间信号的序号，T为采样间隔。
离散时间信号是离散的，与连续时间信号不同，这是数字信号处理的基础。
2. 离散时间信号的分类离散时间信号可以按照实部虚部的性质进行分类。
实部虚部都为实数的信号被称为实信号，实部虚部都为复数的信号被称为复信号。
此外，还有一种称为实部为零的纯虚信号，实部为零，虚部非零。
三、离散时间系统离散时间系统是指离散时间信号在离散时间下的输入和输出之间的关系。
离散时间系统可以分为线性系统和非线性系统。
线性系统满足以下两个性质：1. 叠加性：当系统输入为信号x1[n]和x2[n]时，系统的输出为y1[n]和y2[n]，则当输入为x1[n] + x2[n]时，系统的输出为y1[n] +y2[n]。
2. 齐次性：当系统输入为信号ax1[n]时，系统的输出为ay1[n]，其中a为实数，则当输入为x1[n]时，系统的输出为y1[n]。
非线性系统不满足上述性质。
四、傅里叶变换傅里叶变换可以将一个信号分解成许多不同频率分量的叠加，包含离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）和快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）两种。
1. 离散傅里叶变换（DFT）离散傅里叶变换可以将离散时间信号变换为频域的信号，公式如下：其中N为信号的长度，k为傅里叶变换的频率。
数字信号处理基础
数字信号处理基础数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）是指通过数字技术对模拟信号进行采样、量化和编码，然后利用数字计算机进行信号处理的技术。
它广泛应用于通信、音视频处理、图像处理等领域。
本文将介绍数字信号处理的基础知识和常用算法。
一、数字信号处理的基础概念1.1 信号的采样与量化在数字信号处理中，信号的采样是指对模拟信号进行时间上的离散，将连续时间信号转化为离散时间信号。
采样定理（奈奎斯特定理）规定，当信号的最高频率不超过采样频率一半时，信号可以完全恢复。
采样频率过低会导致混叠现象，采样频率过高则浪费存储和计算资源。
信号的量化是指将连续幅度的信号转化为离散幅度的信号。
量化过程中，信号的幅度根据一定的精度进行划分，并用一个有限的比特数来表示每个划分区间的取值。
量化误差会引入信号的失真，因此需要在精度和存储空间之间进行权衡。
1.2 Z变换和离散时间信号的频域表示Z变换是一种用于离散时间信号的频域表示的数学工具。
它将离散信号的时间域表达式转化为Z域中的复数函数，其中Z是一个复数变量。
通过对Z变换结果的分析，可以获得信号的频率响应、系统的稳定性等信息。
有限长离散时间信号可以通过离散时间傅里叶变换（Discrete Fourier Transform, DFT）转化为频率域表示。
DFT是Z变换在单位圆上的离散采样。
通过DFT计算，可以得到信号在不同频率下的幅度和相位。
二、数字信号处理常用算法2.1 快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）FFT是一种高效的计算DFT的算法，它通过将长度N的DFT分解为多个长度为N/2的DFT相加，从而大大减少了计算复杂度。
FFT广泛应用于频谱分析、滤波、信号重建等领域。
2.2 滤波器设计滤波器是数字信号处理中常用的模块，用于对信号进行频率的选择性衰减或增强。
滤波器的设计可以采用时域方法和频域方法。
时域方法包括有限脉冲响应（Finite Impulse Response, FIR）和无限脉冲响应（Infinite Impulse Response, IIR）滤波器设计，频域方法主要是基于窗函数的设计方法。
数字信号处理知识点
数字信号处理知识点1. 引言数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）是应用数字计算技术来过滤、压缩、存储、生成、识别和其他方式处理信号的科学领域。
本文旨在概述数字信号处理的核心技术和知识点，为学习和应用DSP提供明确的指导。
2. 信号的基本概念2.1 模拟信号与数字信号2.2 信号的时域和频域特性2.3 采样定理（奈奎斯特定理）2.4 量化和编码2.5 信号重构3. 离散时间信号与系统3.1 离散时间信号的定义3.2 线性时不变（LTI）系统3.3 卷积和系统响应3.4 Z变换及其应用3.5 差分方程4. 傅里叶分析4.1 傅里叶级数4.2 傅里叶变换4.3 快速傅里叶变换（FFT）4.4 频谱分析5. 滤波器设计5.1 滤波器的基本概念5.2 理想滤波器5.3 窗函数法5.4 IIR滤波器设计5.5 FIR滤波器设计6. 信号的检测与估计6.1 信号检测理论6.2 最小二乘估计6.3 卡尔曼滤波6.4 信号的自适应滤波7. 语音与图像处理7.1 语音信号的特性7.2 语音编码技术7.3 图像信号的基本概念7.4 图像压缩技术7.5 图像增强技术8. 实时数字信号处理系统8.1 DSP芯片的特性8.2 实时操作系统8.3 硬件与软件协同设计8.4 系统性能评估9. 应用实例9.1 通信系统中的DSP应用9.2 生物医学信号处理9.3 音频和视频处理9.4 雷达和声纳系统10. 结论数字信号处理是一个多学科交叉的领域，涉及信号理论、数学、计算机科学和电子工程。
掌握DSP的基础知识对于理解和设计现代通信系统、音频和视频处理系统以及其他相关应用至关重要。
请注意，本文仅为数字信号处理知识点的概述，每个部分都需要深入学习才能完全理解和应用。
读者应参考相关教材、课程和实践项目，以获得更全面和深入的知识。
数字信号处理
DFT方法计算量太大，限制了应用。直到1965年，美 国的Cooly和Turkey提出了一种快速计算DFT的算法。例如： 当N=1024时，DFT的复数乘法次数约为105万次，Cooly和 Turkey的复数乘法次数5120次，仅为DFT的1/200。人们称 这种快速算法为快速傅里叶变换（FFT）。算法中，规定N 取2的整数次幂，因此也称基2型FFT。 目前实现FFT主 要有软件和硬件两种方法。FFT是功率谱、互谱、频率响 应函数、相干函数等经典频域分析和许多相关分析方法的 基础。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
思考题： 1、将连续时间信号进行离散化时产生混叠的主要原因是什么？
2、叙述采样定理，并说明你对该定理是如何理解的？
3 、从波形特点上说明什么是低通、高通、带通、带阻滤波器？ 4、调制与解调的作用是什么？简述其工作原理。 5、将随时间连续变化的模拟信号转变成离散的数字信号需要经 过几个环节的变化，并说明各自的特点。
二、测试信号数字化处理的基本步骤
1) 信号调整
(预处理）
2) 模数转换 3) 数字信号分析 4) 输出结果
数字信号处理步骤简图
• 预处理
是指在数字处理之前，对信号用模拟方法进行的处
理。把信号变成适于数字处理的形式，以减小数字处理
的困难。它包括： 1. 对输人信号的幅值进行处理，使信号幅值与A／D转 换器的动态范围相适应； 2. 衰减信号中不感兴趣的高频成分，减小频混的影响； 3. 隔离被分析信号中的直流分量，消除趋势项及直流分 量的干扰等项处理。
5.4 数字信号处理基础
一、数字信号处理的主要研究内容
数字信号处理主要研究用数字序列或符号序列表示信号， 并用数字计算方法对这些序列进行处理，以便把信号变换成符 合某种需要的形式。数字信号处理的主要内容包括频谱分析与 数字滤波及信号的识别等。
数字信号处理的基础原理
数字信号处理的基础原理数字信号处理是一种将连续的模拟信号转换为离散的数字信号的技术，通过对数字信号进行处理，可以实现信号的增强、滤波、压缩、编解码等操作，广泛应用于通信、音视频处理、生物医学等领域。
数字信号处理的基础原理主要包括采样、量化和编码三个方面。
首先，采样是指将连续的模拟信号在时间轴方向上进行等间隔的取样。
采样的频率称为采样率，通常以赫兹（Hz）为单位。
根据奈奎斯特采样定理，要保证没有失真地恢复原始信号，采样频率必须大于信号的最高频率的两倍。
低于这个频率会导致混叠现象出现，使信号无法准确还原。
因此，采样是数字信号处理的第一步，决定了后续处理的有效性。
其次，量化是将连续的模拟信号的幅度值转换为一系列离散的数字值的过程。
量化的主要目的是将模拟信号的无限连续值表示为有限个离散级别，常用的量化方式有线性量化和非线性量化。
线性量化是根据一定的分辨率将模拟信号幅度值映射到最接近的数字值，分辨率越高，量化误差越小，但需要更多的存储空间。
非线性量化则是根据幅度值进行非线性映射，通常会伴随着失真现象，但在某些应用中却能提高信号的动态范围。
最后，编码是将量化后的数字信号通过编码方式转换为二进制数字序列的过程。
编码可以是无损的，也可以是有损的。
无损编码能够准确还原原始信号，但需要更多的存储空间；而有损编码能够通过牺牲一定的信息质量来减小数据量，提高传输效率。
常见的编码方式有脉冲编码调制（PCM）、差分编码调制（DM）、自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）等。
在数字信号处理中，以上三个基础原理密不可分，采样决定了离散信号的时间域特性，量化影响了信号的幅度精度，编码则决定了信号的压缩效率和传输质量。
通过理解和熟练掌握数字信号处理的基础原理，可以更好地应用于实际工程中，实现对信号的高效处理和利用。
数字信号处理技术的不断发展和完善将为各行各业带来更多的应用可能性，带来更多的技术突破和创新。
海南省考研电子信息工程复习资料数字信号处理基础知识总结
海南省考研电子信息工程复习资料数字信号处理基础知识总结数字信号处理（Digital Signal Processing）是应用数学的一门科学，它通过对数字信号进行分析、处理、重构和理解，以实现信息的提取、修复、增强、识别和压缩等多种功能。
在电子信息工程领域中，数字信号处理具有重要的应用价值。
本文将对数字信号处理的基础知识进行总结。
一、数字信号处理的基本概念1. 数字信号数字信号是用离散的数值来表示的信号。
与连续信号相比，数字信号具有离散、精确和可靠的特点。
通常，数字信号可以通过采样和量化来获得。
2. 采样采样是指将连续信号在时间上进行离散化的过程。
在数字信号处理中，通常使用采样定理来确定采样频率，确保采样后的信号能够无失真地还原原始信号。
3. 量化量化是指对采样信号的幅值进行离散化的过程。
采用一定的数值范围将连续幅值映射到离散的数值集合上。
量化通常包括线性量化和非线性量化两种方式。
4. 时域和频域时域表示信号的幅度随时间变化的特性。
频域表示信号的幅度随频率变化的特性。
傅里叶变换是常用的时域转频域的变换方法，傅里叶逆变换则是频域转时域的变换方法。
二、数字信号处理的基本原理1. 离散系统离散系统是指输入和输出都是离散信号的系统。
数字滤波器是常见的离散系统，它通过改变输入信号的幅度、相位和频率特性，实现对信号的滤波和增强。
2. 线性时不变系统线性时不变系统是指系统的输入和输出之间存在线性关系，并且系统对输入信号的响应不随时间的推移而变化。
线性时不变系统的特点是具有可加性、尺度不变性和时移不变性。
3. 差分方程差分方程是描述线性时不变系统行为的数学模型。
通过差分方程，可以将连续时间系统转化为离散时间系统来进行分析和计算。
差分方程的求解可以使用递推关系或者变换方法。
4. 快速傅里叶变换快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）是一种高效的频域分析方法，能够将时域信号快速转换为频域信号。
数字信号处理的数学基础
数字信号处理的数学基础数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一种在数字领域对信号进行采样、处理和分析的技术。
在数字信号处理中，数学扮演着至关重要的角色，它提供了处理数字信号所需的基本理论和工具。
本文将介绍数字信号处理的数学基础，包括采样定理、离散傅里叶变换和滤波等。
一、采样定理在数字信号处理中，采样是将连续时间信号转换为离散时间信号的过程。
采样定理是指，在进行采样时，采样频率必须大于信号最高频率的两倍，才能完整地还原原始信号。
这是因为根据奈奎斯特（Nyquist）采样定理，信号的最高频率成分会以采样频率的一半进行傅里叶变换，若采样频率小于信号最高频率的两倍，会发生混叠现象，导致信号失真。
二、离散傅里叶变换离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，简称DFT）是数字信号处理中的一项重要技术，它可以将一个离散时间域信号转换为离散频率域信号。
DFT可以通过使用复指数函数来实现，其变换结果包括了信号的幅度和相位信息。
DFT在频谱分析、滤波、信号压缩等方面具有广泛应用。
三、滤波滤波是数字信号处理中常用的操作，它可以实现信号的去噪、信号增强和频率选择等功能。
滤波器是实现滤波操作的工具，根据其特性可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
滤波器的设计依赖于数字信号处理中的一些数学方法，如卷积、巴特沃斯滤波器设计和有限脉冲响应滤波器等。
四、巴特沃斯滤波器设计巴特沃斯滤波器是一种常用的滤波器设计方法，它在满足特定的幅频响应要求时，能够实现最小的滤波器阶数。
巴特沃斯滤波器的设计基于极点和零点的位置，通过递归方式进行实现。
该滤波器设计方法在数字信号处理中得到广泛应用，常用于频谱分析和信号滤波等领域。
五、有限脉冲响应滤波器有限脉冲响应滤波器（Finite Impulse Response Filter，简称FIR滤波器）是数字信号处理中一种重要的滤波器类型。
数字信号处理基础知识
数字信号处理基础知识数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是指对数字信号进行一系列的算法和技术处理的过程。
数字信号处理广泛应用于通信、音频、图像、音视频编码、雷达、生物医学工程等领域，具有重要的理论和实际意义。
本文将介绍数字信号处理的基础知识，包括数字信号的表示与采样、离散时间信号与离散频率信号、线性时不变系统与卷积、傅里叶变换与频谱分析等。
一、数字信号的表示与采样数字信号是连续信号在时间和幅度上离散化得到的。
在数字信号处理中，常用的表示方式是离散时间信号和离散幅度信号。
离散时间信号是用一系列的时间点和对应的幅度值表示的，而离散幅度信号则是用一组离散的幅度值表示的。
离散时间信号与连续时间信号之间的转换需要进行采样操作，采样是指按照一定的时间间隔对连续时间信号进行抽样。
二、离散时间信号与离散频率信号离散时间信号是在离散时间点上取值的信号，可以通过将连续时间信号进行采样得到。
离散频率信号是对离散时间信号进行傅里叶变换得到的，表示信号在频域上的分布情况。
离散频率信号通常由实部和虚部表示，包含了信号的相位和幅度信息。
三、线性时不变系统与卷积线性时不变系统是指系统的输出只与输入信号有关，且对于同一输入信号，输出结果不随时间的推移而变化。
卷积是一种常用的信号处理操作，是两个信号之间的一种数学运算。
对于两个离散时间信号的卷积，可以通过将其中一个信号按时间反转后进行平移和乘积运算得到输出信号。
四、傅里叶变换与频谱分析傅里叶变换是将信号从时域转换到频域的一种方法，可以将信号分解成一系列的正弦和余弦函数。
频谱是指信号在频域上的能量分布情况，可以通过傅里叶变换得到。
频谱分析是对信号进行频谱上的分析，用于分析信号的频率成分和频率分布情况，常用于音频、图像等领域的处理和分析。
总结数字信号处理是对数字信号进行算法和技术处理的过程，广泛应用于通信、音频、图像、雷达、生物医学工程等领域。
数字信号处理基础pdf
Sx ( f ) —双边谱 Gx ( f ) —单边谱
Gx
(
f
)
=
2S 0
x
(
f
)
f ≥0 f <0
P
=lim T →∞
1 T
T
∫2 −T 2
x2 (t )dt
= ∫∞ S ( f )df −∞
= ∫∞ G( f )df 0
上式称为 Perceval 定理。（单边谱与双边谱的关系同样适用于 ESD）
T
2 −T
x
cos
nω1
t
d
t
2
∫ bn
=
2 T
T
2 −T
x sin
nω1
t
d
t
2
( n = 1、2、3、…… )
7
傅里叶级数的复指数形式
Fourier series 缩写为 FS
( ) ∑[ ] ∞
x t = X0 +
X ne jnω1t + X −ne j(−nω1 )t
n=1
或
( ) ∑∞
x t = X n e jnω1t
( ) ∞ x t e− j2π f t d t
−∞
∫ x(t) = F [−1 X ( f )] =
( ) ∞
X
f
e j2π f t d f
−∞
FT
x(t )
X(f )
IFT
FT : Fourier Transform
傅里叶变换
IFT ： Inverse Fourier Transform 傅里叶逆变换
13
矩形脉冲的傅里叶频谱
矩形脉冲
x(t) = A
数字信号处理基础理论
数字信号处理基础理论第一部分：数字信号的概念数字信号是表示物理量、物理现象或信息的数值序列。
数字信号的基本特点是离散、数字、有限。
离散表示信号的时间和幅度均是离散的，数字表示信号的幅度值是由有限位数的二进制数表示的，有限表示信号的时间和幅度序列都是有限长的。
数字信号与模拟信号的差异在于数字信号可以通过计算机或数字信号处理器进行处理和传输。
数字信号可以是连续时间（C-T）系统的采样信号，也可以是离散时间（D-T）系统的离散信号。
其中，离散信号包括从连续时间信号通过采样和量化转换得到的离散信号和由数字系统产生的数字信号。
第二部分：采样与量化采样是指将连续时间信号转化为离散时间信号的过程。
采样信号的采样周期是指连续时间信号在采样过程中，采样时刻的时间间隔。
采样周期决定了采样后的离散信号的频率分辨率，即在频率域上连续时间信号的频谱密度分布情况。
量化是指对采样信号的幅度进行离散化处理，将其表示为有限位数的数字。
量化误差是指离散信号与采样信号之间的误差，通常用均方误差来描述。
采样与量化过程是数字信号处理的基础，采样定理是数字信号处理中的重要理论基础。
根据采样定理，对于一个具有有限带宽的信号，只要采样频率大于等于信号带宽的两倍，就能够完全重构原信号，避免产生采样失真和折叠失真的问题。
第三部分：信号处理数字信号处理中的信号处理包括线性与非线性、时不变与时变、因果与非因果等多个方面。
其中，线性与非线性处理是数字信号处理领域中的基本概念之一。
线性系统能够满足叠加原理和时移不变性等性质，而非线性系统则不能。
时不变系统的性质是在时间轴上发生平移不会使系统发虚发生任何变化，而时变系统则不同，其系统参数是随时间改变的。
因果系统是指系统的响应只依赖于过去或现在的输入信号，与未来输入信号无关。
系统稳定性是指系统在固定的输入条件下能够保持稳定，不发生发散、爆炸或周期性振荡等现象。
数字信号处理的常见应用包括信号滤波、时域变换、频域变换等。
数字信号处理基础知识
数字信号处理基础知识基础知识第一章1、连续时间信号的特征是：时间离散时间信号的特征是：时间，幅值。
2、数字信号的特征是。
3、“数字信号处理”学科迅速发展的两大标志是。
第二章|1、数字序列的自变量只能取。
2、δ(n)与u(n)的关系是：δ，。
3、x (n ) =A cos(3ππn +) 的周期是 464、并联系统的单位冲激响应h (n ) 串联系统的单位冲激响应h (n ) 。
5、系统零状态响应y (n ) 与单位冲激响应 h (n ) 的关系是。
6、单位冲激响应h (n ) 表征了系统的时域特征，系统稳定的充要条件是果的充要条件是。
7、线性时不变系统可以用来描述。
<8、X (e j ω) 是以/离散）函数。
9、离散时间傅里叶变换存在的充分条件是。
10、设连续信号x (t ) 为带限信号，最高频率为Ω0，则取样频率Ωs 应满足。
11、离散时间信号的抽取仍然要（满足/不满足）奈奎斯特抽样定理。
也称为。
12、序列在单位圆上的z 变换是单位取样响应在单位圆上的Z 变换是13、系统的频域特性通过来表征。
14、若系统是稳定的，则系统函数!15、S 平面与Z 平面之间的映射关系为。
16、设序列是由连续信号抽样得到的，。
17、设输入x 1(n)，x 2(n)对应的响应分别为y 1(n)，y 2(n)，则线性系统应满足18、设输入x(n)对应的响应为y(n)，若满足。
该系统为非移变系统。
19、若x(n)为实序列，则其偶部的离散时间傅里叶变换为叶变换为。
1-z -120、设一因果系统H (z ) =，则系统零点为，极点为，收1-0. 81z -2…敛域为，系统是否稳定。
第三章1、设x (n ) 是一个长度为N 的序列，且DFT[x (n )]=X(k ) ，则有X(N -k )=。
2、设两个有限长序列的长度分别为N 、M ，则序列的线性卷积长度为。
若用两序列的循环卷积计算线性卷积，则循环卷积的长度应满足。
序列延长部分的值用3、设序列的长度为N ，则对序列Z 变换取样不失真的条件是取样点数M 应满足4、FFT 算法主要利用了W N k 的两个性质：和。
数字信号处理基础入门
数字信号处理基础入门数字信号处理（DSP）是一种使用数字计算进行信号处理的技术。
从本质上讲，它是一种将连续时间的信号转换为离散时间的信号，然后使用数字计算设备进行处理的技术。
现在，我们可以在许多不同领域的应用中看到DSP的越来越广泛的应用，例如通信、音频、图像、控制系统等等。
本文将为您介绍数字信号处理的基础知识。
数字信号数字信号是连续的模拟信号经过取样（通常在时间轴上均匀地选择若干个时间点）和量化（将信号的振幅变化映射到离散的数字值）后得到的离散信号，它通常用数字序列表示，也就是由一系列数字组成的信号。
在数字信号处理中，通常使用的数字序列是有限长度的。
取样在DSP中，我们需要将一个连续信号转换成一个由离散点组成的序列。
这是通过对信号进行采样来实现的。
采样是在时间轴上均匀地选择若干个时间点，并记录下相应时间点上的信号值。
取样时间间隔可以根据采样定理选择。
采样定理指出，一个连续的信号，如果它的最高频率不超过采样频率的一半，那么它就可以通过采样得到完全的信息。
量化在进行采样之后，我们需要将每个采样点的信号值映射到合适的数字值，这个过程就是量化。
量化是将连续变化的信号转换成离散的数字信号，将采样到的各个采样点的信号值近似为一定数量的级别中的一级。
在量化过程中，最重要的因素是量化步长。
量化步长越小，数字信号越接近模拟信号，但计算所需的存储空间和运算复杂度也增加。
反量化和重建在DSP的信号处理过程中，反量化和重建过程是一个很重要的步骤。
反量化是将数字信号的数字值重新映射到模拟信号的振幅上，这个过程需要使用逆量化器。
重建是将离散的数字信号转换成连续的模拟信号。
这个过程需要使用一些数学方法来恢复原始的信号。
数字信号的重建可以通过数字滤波器来实现，数字滤波器是数字信号处理中的一个基础概念。
数字滤波器在DSP应用中，数字滤波器被广泛使用，这是因为它可以非常有效地处理和调整数字信号。
数字滤波器通过对数字信号进行滤波来去除信号中的噪声和干扰，或者将信号转换成相应的频率范围内的特定形状。
《数字信号处理》课件
05
数字信号处理中的窗函 数
窗函数概述
窗函数定义
窗函数是一种在一定时间 范围内取值的函数，其取 值范围通常在0到1之间。
窗函数作用
在数字信号处理中，窗函 数常被用于截取信号的某 一部分，以便于分析信号 的局部特性。
窗函数特点
窗函数具有紧支撑性，即 其取值范围有限，且在时 间轴上覆盖整个分析区间 。
离散信号与系统
离散信号的定义与表示
离散信号是时间或空间上取值离散的信号，通常用序列表示。
离散系统的定义与分类
离散系统是指系统中的状态变量或输出变量在离散时间点上变化的 系统，分类包括线性时不变系统和线性时变系统等。
离散系统的描述方法
离散系统可以用差分方程、状态方程、传递函数等数学模型进行描 述。
Z变换与离散时间傅里叶变换（DTFT）
1 2 3
Z变换的定义与性质
Z变换是离散信号的一种数学处理方法，通过对 序列进行数学变换，可以分析信号的频域特性。
DTFT的定义与性质
DTFT是离散时间信号的频域表示，通过DTFT可 以分析信号的频域特性，了解信号在不同频率下 的表现。
Z变换与DTFT的关系
Z变换和DTFT在某些情况下可以相互转换，它们 在分析离散信号的频域特性方面具有重要作用。
窗函数的类型与性质
矩形窗
矩形窗在时间轴上均匀取值，频域表现为 sinc函数。
汉宁窗
汉宁窗在时间轴上呈锯齿波形状，频域表现 为双曲线函数。
高斯窗
高斯窗在时间轴上呈高斯分布，频域表现为 高斯函数。
海明窗
海明窗在时间轴上呈三角波形状，频域表现 为三角函数。
窗函数在数字信号处理中的应用
信号截断
通过使用窗函数对信号进行截 断，可以分析信号的局部特性
数字信号处理大纲
数字信号处理大纲
1. 数字信号处理基础
- 模拟信号与数字信号的比较
- 采样与量化
- 频域与时域分析
2. 频域信号分析
- 傅里叶变换
- 快速傅里叶变换
3. 时域信号处理
- 离散信号的运算
- 离散卷积与线性时不变系统
- 差分方程与离散时间系统
4. 数字滤波器设计
- FIR滤波器
- IIR滤波器
- 有限字长效应
5. 时频分析
- 短时傅里叶变换
- 音频信号分析
6. 数字信号处理应用
- 语音信号处理
- 图像处理
- 视频处理
- 生物医学信号处理
7. 数字信号处理算法
- 数字滤波算法
- 快速傅里叶变换算法
- 小波变换算法
8. 实际应用案例分析
- 音频压缩算法
- 数字图像增强算法
- 实时语音识别系统
这个大纲包括了数字信号处理的基础概念、信号分析方法、滤波
器设计、时频分析、应用领域、算法等内容。
在学习过程中，可以深
入了解信号处理的理论基础和实际应用，并通过案例分析来加深理解。
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anu(n)：左边指数序列
描述指数增长、衰减特性；如：生物繁衍、存款 本息、大气传播、电路震荡
6. 复指数序列
j n
n
a = re j
jn
x(n) (re ) r e
n
r (cosn j sin n)
ej n复正弦信号傅里叶变换的基函数、系统的特征函数
离散信号（序列）的基本运算
H (e )
j
H ( j )
无失真传输系统的频率响应
离散系统z域分析
z变换是离散系统分析与综合的重要工具
z变换定义及收敛域
X ( z)
n
x[n]z
n
单边、双边
收敛域(ROC): R |z| R+ 序列特性对收敛域的影响 1) 有限长序列 z 变换的收敛域
f (k ) (1 2
| h(n) |
H ( z)
n
n h ( n ) z
一定包括单位圆|z|=1，也就是H(e jω)存在
因果且稳定
因果稳定系统的系统函数H(z)必须在从单位圆到∞ 的整个z域内收敛，即
Rx | z |
Rx 1
也就是说，系统函数的全部极点必须在单位圆内。
数字信号处理
1.1 离散时间信号与系统 1.2 傅里叶变换 1.3 数字滤波器
信号的分类
1. 确定性信号和随机信号 平稳和非平稳（时变）信号 2. 连续信号x(t)和离散信号x(n) / 数字信号/序列 3. 周期信号和非周期信号
x(t ) x(t kT )
E
x(n) x(n kN )
离散时 间系统
输出序列
y(n) = T{x(n)}
系统性质
1. 线性
T{ax1 (n) bx2 (n)} aT{x1 (n)} bT{x2 (n)}
y(n)=2x(n)+3 / y(n) = Im[x(n)] 2. 时不变 T{x(n)}=y(n)，T{x (n-m)}=y(n-m) y(n)=x(2n)
n
h( n) z
H (e ) H ( z) z e j
j
2 Y ( z) 1 6 z 2 z 6 H ( z) 1 2 2 E( z) 1 5z 6 z z 5z 6
借助z变换，在系统的不同描述方法之间架起桥梁
系统的因果、稳定性与H(z)的收敛域
f (k ) b k u(k 1) a k u(k ) b 1 z 1
F ( z)
k
b z a z
k k k k 0
1
az 1 1
k k 0
k
(b z ) (az 1 ) k
1 k 1
z z bz za
h(n)、H(z)、差分方程区分IIR和FIR系统
(1)单位脉冲响应h(n)
如果系统的单位冲脉冲应延伸到无穷长 ，则称为 “无限长单位脉冲响应系统”，简写为IIR系统。
h(n) 0.5 u(n) infinite impulse response
n
如果系统的单位脉冲响应是一个有限长序列，则称 为“有限长单位脉冲响应系统”，简称为FIR系统。
时域插值，造成在数字频率域上频谱压缩
加防混叠滤波器的抽取器系统
将待抽取序列的频谱限制在| | 范围内 D
xd (n) H (e j ) 1, | | x ( n) D ↓D h( n) 0 x I ( n) xe (n) x ( n) I , | | j ↑I h( n) H (e ) I If s If s fs 0, xId (n) x ( n)
az 1 1
1 z 1 1 az za
|a| 时其ZT存在， 其收敛域是半径为|a| 的圆外区域。
Re[ z ]
3) 反因果序列z变换及其收敛域
f (k ) a u(k 1)
k
F ( z)
k
a u(k 1) z
h(n) z变换
零、极点图
H ( z)
n
z变换 差分方程
H (e j ) 框图/流图
H ( z)
y(k ) 5 y(k 1) 6 y(k 2) e(k ) 6e(k 2) 1 2 2 Y ( z )(1 5 z 6 z ) E ( z )(1 6 z )
F ( z)
3
k 0
2 1)
k
f (k ) z
k
z 2 2 z 3 2 z 1 z 2
ROC 0 z
有限长序列的z变换的收敛域至少是有限z平面
2) 因果序列z变换及其收敛域
f ( n) a n u ( n)
1 n ( az F ( z ) a u ( n) z ) n n n n 0
4. 稳定性 有界输入产生有界的输出
LTI系统稳定的充分必要条件 y(n) = x(n) +2y(n-1)
n
h( n )
系统的描述方法
常系数线性差分方程 / 微分方程
单位抽样响应 系统函数 零、极点图 框图/流图(实现结构) 频率响应
h( n) H ( z)
h(t ) H ( s)
1) 相加与相乘 2) 翻转 3) 差分 x1(n) + x2(n) x(n) x ( n) c x(n)
x(n) x(n 1) x(n) x(n) x(n) x(n 1)
x(n) x(nN)
z
1
4) 位移（延时）
x ( n)
y ( n)
单位延时
5) 卷积
y(n) x(n) h(n)
Im[ z ]
zb
za
azb
双边序列当|a|<|b|时其z变 换存在，收敛域为 |a|<|z|<|b|的环状区域 当|a||b|时没有公共收敛域， 即其z变换不存在！
半径为|b|
Re[ z ]
半径为|a|
系统函数H(z) (transfer function, system function)
t nT
n 0
1
2 1 1}
x(n)={1, 1, 2, -1, 1; n= -1, 0, 1, 2, 3} 丢失了具体的时间信息，只表明信号的先后顺序
典型离散信号（序列）
1. 单位脉冲序列
1 n 0 (n) 0 n 0
h(n)
2. 单位阶跃序列
1 n 0 u (n) 0 n 0
FIR系统一般采用非递归结构实现
有时FIR系统也使用递归结构实现，可以提高计算效率 栗子：L点的滑动平均器：
1 y (n) [ x(n) x(n 1) x(n L 1)] L 1 y (n) [ x(n) x(n 1) x(n L 1) x(n L) x(n L)] L 1 y (n) y (n 1) [ x(n) x(n L)] END L
LTI (linear time-invariant) LSI (linear shift invariant)
3. 因果性（Causality）
系统n时刻的输出只与n时刻及以前的输入有关 因果的LTI：h(n)=0, n<0. y(n) = [x(n+1) + x(n) + x(n-1)] /3
x(n-k)有关，而且和各y(n-k)有关。 FIR 系统中，没有反馈环路，称之为“非递归型”结 构。FIR系统的输出只和各输入x(n-k)有关。
IIR系统只能采用递归型结构实现
y(n) ay(n 1) bx(n) cx(n 1) y(n) ax(n) bx(n 1) cx(n 2)
x(n) x(t ) t nT A sin( 0 nT ) A sin( 0 n )
T
数字频率与模拟频率的关系 是一个相对频率
f 2 T fs fs
5. 指数序列
x(n) a , n Z
n
anu(n)：右边指数序列
|a| 1序列有界 |a| 1序列有界
6) 抽取(decimation)与插值(interpolation) x(Dn) 是x(n)的抽取序列 D为正整数 每D个样值抽取一个 x(n/I) 是x(n)的插值序列
I为正整数
每两个样值之间插入（I -1）个零值
选择合适的I和D，就能够任意地改变采样频率fs
一般是先做I倍插值，再做D倍抽取 时域抽取，造成在数字频率域上频谱展宽
y ( n)
acc
m
x(m)h(n m)
卷积的FFT算法 卷积的实时处理 分段卷积 重叠相加法和重叠保留法
重叠相加法： h(n)为M点，将x(n)分为每段L点，L和M的数量级相同 可得每段的卷积结果 yi(n) 为 L+M-1 点，由于每段 xi(n) 为 L点 ，故相邻两段输出序列必然有 (M-1)个点发生重 叠，应该将重叠部分相加再和不重叠的部分共同组成 卷积结果y(n)。 重叠保留法： 将x(n)分段，每段L个点,在每一段的前边补上前一段 最后(M-1)个值，组成L+M-1点序列xi(n) 然后用FFT实现h(n)和xi(n)的L+M-1点圆周卷积，卷积 结果的前(M-1)点发生混叠，舍去混叠点后，用每段的 后L个值，首尾相接构成y(n)。
k
k
k
a
1
k
z
k
(a z )
1 k 1