数字信号处理概述2017全解
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数字信号处理理论
1. 数字信号处理概述 2. 离散时间信号分析 3. DFT 4. 快速付里叶变换FFT 5. 数字滤波器(DF)的结构和实现方法 6. IIR DF的设计(无限长单位脉冲响应数字滤波器的设计) 7. FIR DF 的设计(有限长单位脉冲滤波器的设计)
2018/8/31
教材及参考书目
2018/8/31
NCU
数字信号处理概述
• 为何要上数字信号处理?
在过去的数十年中，数字信号处理(DSP)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，运用DSP处理器，故成为教学内容。
2018/8/31
• 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) 采样 x(tn)
x(n) 模数 转换
t
保持
tn
n
(3)确定性信号和随机信号
• 确定性信号：它的每一个值可以用有限个参量来唯一 地加以描述。
例：直流信号：仅用一个参量可以描述。 阶跃信号：可用幅度和时间两个参量描述。 正弦波信号：可用幅度、频率和相位三个参量来描述。
1、数字信号处理的经典书籍 麻省理工学院 奥本海姆编著的 《Discrete Time Signal Processing》 ，有中译本《离散 时间信号处理》由西安交通大学出版。现在是第二版。（ 1978年）
2、王世一、程佩清、丁玉美
3、面向工程师的数字信号处理 MATLAB程序、dsp芯片、FPGA电路设计 4.数字信号处理（MATLAB版），Vinay K. Ingle, John G. Proakis. 西安交通大学出版社，2008
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。在此我们讨论的DSP的概念 是指广义的理解。
1.信 号
• 信号是一种物理体现。在信号处理领域中，信号被定义为 一个随机变化的物理量。 • 例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这些真实世界
二、数字信号处理的学科概貌
1.数字信号处理开端
•
在国际上一般把1965年由Cooley-Turkey（
J.W.库利和T.W.图基 ）提出快速付里叶变换 (FFT)的问世，作为数字信号处理这一学科的开端 。
•
而它的历史可以追溯到17世纪--18世纪，也即 牛顿和高斯的时代。
高斯噪声
高斯分布
约翰· 卡尔· 弗里德里希· 高斯（Johann Karl Friedrich Gauss ，1777年4月 30日－1855年2月23日）德国著名数学家、物理学家、天文学家、大地测量学 家。是近代数学奠基者之一，高斯被认为是历史上最重要的数学家之一，并享 有“数学王子”之称。高斯和阿基米德、牛顿并列为世界三大数学家。一生成 就极为丰硕，以他名字“高斯”命名的成果达110个，属数学家中之最。他对 数论、代数、统计、分析、微分几何、大地测量学、地球物理学、力学、静电
号进行测量或滤波（提取信息以便应用）。
• 例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等。
2018/8/31
因此在进行数字信号处理之前需要将信号从
模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实
现（采集卡，大的有5G）。而数字信号处理的输
出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器 实现的。
采集卡
• 对于DSP:
wenku.baidu.com
随机信号：不能用有限的参量加以描述。也无法对它 的未来值确定地参预测。它只能通过统计学的方法来
描述(概率密度函数来描述)。
例：许多自然现象所发生的信号、语音信号、图象信号、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。
4.信号处理
• 滤波
• 变换 • 压缩 • 估计 • 识别
电子信息发展时代
• 70年代：消费电子时代： 关键产品：彩电，录象机等 主要获胜者：日本/Sony，JVC，Panasonic 制胜的策略：强大的制造能力、质量及设计能力 80年代：计算机时代： 关键产品：PC，硬盘，打印机等 主要获胜者：USA/Intel，Microsoft 制胜的策略：通用PC平台，软件制造 90年代：数字信号时代： 关键产品：个人通信机，网络接入 主要获胜者：？？？ 制胜的策略：数字信息技术，产品创新 21世纪：因特网,数码时代： 关键产品：网络，DSP & Analog 主要获胜者：？？？
的物理信号------>电信号，经处理的电信号--->传感器--->
真实世界的物理信号。 如现实生活中最常见的传感器是话筒、扬声器 话筒(将声压变化)--->电压信号-->空气压力信号(扬声器)
2018/8/31
2.信号的最基本的参数
• • • • • • • 频率和幅度 3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航) 30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信) 300~3000kHz:Medium frequency(调幅广播) 3-30MHz: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) 30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM，VHF电视) 0.3~3GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷达， 微波，个人通信) 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) 频率20Hz~20KHz称为声波，Low frequency (处于LF) 频率>20KHz称为超声波 ，具有方向性，可以成束(处于LF)
•
•
•
2018/8/31
第一个问题
什么是数字信号处理？
2018/8/31
一、数字信号处理(DSP) (Digital Signal Processing)
• 凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信 号所进行的一切变换或按预定规则所进行的一切
加工处理运算。
• 数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信
•
•
•
2018/8/31
3.信号分类
• 连续信号和离散信号
• 模拟信号和数字信号 • 确定性信号和随机信号
2018/8/31
NCU
(1)连续信号和离散信号
• 连续信号：指随时间信号而连续变化的信号。 • 离散信号：只有在离散的时间点有确定的值。它 通常都是通过对连续信号采样而得到的。
(2)模拟信号和数字信号
1. 数字信号处理概述 2. 离散时间信号分析 3. DFT 4. 快速付里叶变换FFT 5. 数字滤波器(DF)的结构和实现方法 6. IIR DF的设计(无限长单位脉冲响应数字滤波器的设计) 7. FIR DF 的设计(有限长单位脉冲滤波器的设计)
2018/8/31
教材及参考书目
2018/8/31
NCU
数字信号处理概述
• 为何要上数字信号处理?
在过去的数十年中，数字信号处理(DSP)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，运用DSP处理器，故成为教学内容。
2018/8/31
• 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) 采样 x(tn)
x(n) 模数 转换
t
保持
tn
n
(3)确定性信号和随机信号
• 确定性信号：它的每一个值可以用有限个参量来唯一 地加以描述。
例：直流信号：仅用一个参量可以描述。 阶跃信号：可用幅度和时间两个参量描述。 正弦波信号：可用幅度、频率和相位三个参量来描述。
1、数字信号处理的经典书籍 麻省理工学院 奥本海姆编著的 《Discrete Time Signal Processing》 ，有中译本《离散 时间信号处理》由西安交通大学出版。现在是第二版。（ 1978年）
2、王世一、程佩清、丁玉美
3、面向工程师的数字信号处理 MATLAB程序、dsp芯片、FPGA电路设计 4.数字信号处理（MATLAB版），Vinay K. Ingle, John G. Proakis. 西安交通大学出版社，2008
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。在此我们讨论的DSP的概念 是指广义的理解。
1.信 号
• 信号是一种物理体现。在信号处理领域中，信号被定义为 一个随机变化的物理量。 • 例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这些真实世界
二、数字信号处理的学科概貌
1.数字信号处理开端
•
在国际上一般把1965年由Cooley-Turkey（
J.W.库利和T.W.图基 ）提出快速付里叶变换 (FFT)的问世，作为数字信号处理这一学科的开端 。
•
而它的历史可以追溯到17世纪--18世纪，也即 牛顿和高斯的时代。
高斯噪声
高斯分布
约翰· 卡尔· 弗里德里希· 高斯（Johann Karl Friedrich Gauss ，1777年4月 30日－1855年2月23日）德国著名数学家、物理学家、天文学家、大地测量学 家。是近代数学奠基者之一，高斯被认为是历史上最重要的数学家之一，并享 有“数学王子”之称。高斯和阿基米德、牛顿并列为世界三大数学家。一生成 就极为丰硕，以他名字“高斯”命名的成果达110个，属数学家中之最。他对 数论、代数、统计、分析、微分几何、大地测量学、地球物理学、力学、静电
号进行测量或滤波（提取信息以便应用）。
• 例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等。
2018/8/31
因此在进行数字信号处理之前需要将信号从
模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实
现（采集卡，大的有5G）。而数字信号处理的输
出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器 实现的。
采集卡
• 对于DSP:
wenku.baidu.com
随机信号：不能用有限的参量加以描述。也无法对它 的未来值确定地参预测。它只能通过统计学的方法来
描述(概率密度函数来描述)。
例：许多自然现象所发生的信号、语音信号、图象信号、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。
4.信号处理
• 滤波
• 变换 • 压缩 • 估计 • 识别
电子信息发展时代
• 70年代：消费电子时代： 关键产品：彩电，录象机等 主要获胜者：日本/Sony，JVC，Panasonic 制胜的策略：强大的制造能力、质量及设计能力 80年代：计算机时代： 关键产品：PC，硬盘，打印机等 主要获胜者：USA/Intel，Microsoft 制胜的策略：通用PC平台，软件制造 90年代：数字信号时代： 关键产品：个人通信机，网络接入 主要获胜者：？？？ 制胜的策略：数字信息技术，产品创新 21世纪：因特网,数码时代： 关键产品：网络，DSP & Analog 主要获胜者：？？？
的物理信号------>电信号，经处理的电信号--->传感器--->
真实世界的物理信号。 如现实生活中最常见的传感器是话筒、扬声器 话筒(将声压变化)--->电压信号-->空气压力信号(扬声器)
2018/8/31
2.信号的最基本的参数
• • • • • • • 频率和幅度 3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航) 30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信) 300~3000kHz:Medium frequency(调幅广播) 3-30MHz: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) 30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM，VHF电视) 0.3~3GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷达， 微波，个人通信) 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) 频率20Hz~20KHz称为声波，Low frequency (处于LF) 频率>20KHz称为超声波 ，具有方向性，可以成束(处于LF)
•
•
•
2018/8/31
第一个问题
什么是数字信号处理？
2018/8/31
一、数字信号处理(DSP) (Digital Signal Processing)
• 凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信 号所进行的一切变换或按预定规则所进行的一切
加工处理运算。
• 数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信
•
•
•
2018/8/31
3.信号分类
• 连续信号和离散信号
• 模拟信号和数字信号 • 确定性信号和随机信号
2018/8/31
NCU
(1)连续信号和离散信号
• 连续信号：指随时间信号而连续变化的信号。 • 离散信号：只有在离散的时间点有确定的值。它 通常都是通过对连续信号采样而得到的。
(2)模拟信号和数字信号