数字信号处理方法与实现 PPT课件

频域和时域处理主要包括的内容
• 谱分析、谱估计 • 滤波 • 采样数据的抽取和内插 • 信号的相关分析
Real-time Processing——实时处理
• 非实时处理，离线或脱机（off-line），即 将要处理的信号先存储下来，再进行处理， 如卫星遥感所得图象是返回地面作脱机处 理；
• 实时处理，在线或联机（on-line），即将 采样设备和处理设备联在一起的系统，对 信号边采样边处理，立即得到结果。
对于数字系统，仅受A/D转换的量化误差及 系统有限字长影响，处理过程中不会产生 其他噪声。
所以，数字信号处理的信号-噪声比高。
数字信号处理对比模拟信号处理的优势
• 数字信号处理系统的性能具有确定性、可 预见性和可重复性，稳定性好； 这是由数字器件相比模拟器件的高精度及 高稳定度决定的。
数字信号处理对比模拟信号处理的优势
抗混叠滤波器
• 其基本方法是使用一个低通滤波器（抗混 叠滤波器），在采样前滤掉原有信号中高 于fmax的频率成分，再选取高于2fmax的采样 频率进行采样。
• 过采样：采用较高采样率，达到所处理信 号频率上限的3~4倍甚至更高，可得到更高 的信号质量，但实现难度大，不宜实时处 理。
采样/保持电路
注意：
• 在输入信号满度电压的范围内，大信号时 信噪比优于小信号，但不应超过满刻度， 以免被限幅而失真。 所以，可通过增益可调放大器，使输入信 号尽可能接近满度，以改善信噪比。
• 高性能数字信号处理器与高速实时信号处 理，西电版
• TigerSHARC DSP应用系统设计，电子工 业版
• DSP芯片的原理与开发应用，电子工业版 • 数字信号处理系统及其应用，清华版
资料网站
DSP相关知识
DSP——Digital signal processing • Signal • System • Signal Processing • Real-time Processing
实时处理的要求
• 要求处理系统的速度足够快，数据吞吐能力足 够大，以保证数据不至出现堵塞。
• DSP技术发展的早期，实时处理是很困难的。 随着大规模集成电路技术及算法的不断发展， 使实时数字信号处理成为现实，并在雷达、通 信等领域更广泛地应用。
• 对于数字信号处理系统，如果它的实时性满足 联机处理要求，就称为实时数字信号处理系统。
实时数字信号处理系统框图
模拟输入信号
低通 滤波
采样/保持
A/D
(1)
(2)
(3)
DSP
模拟信号输出
低通Βιβλιοθήκη 滤波D/A抗混叠滤波器
• 由奈奎斯特采样定理，为了采样后真实地 保留原始模拟信号信息，采样率必须至少 为信号最高频率fmax的2倍；
• 否则，为欠采样，会产生混叠，即混入新 的频率成分，除少数应用中利用欠采样故 意产生混叠之外，在大多数情况，必须采 样之前消除混叠；
X(f)
H(f)
Y(f)
Signal Processing——信号处理
• 模拟信号处理 • 数字信号处理 • 时域处理 • 频域处理
数字信号处理对比模拟信号处理的优势
• 数字信号处理的动态范围宽，信号-噪声 比高； 例，模拟录音系统偏差允许范围1~1000 （最大不失真记录电平），则模拟系统 动态范围：
System——系统
• 物理器件的集合，受到激励，产生响应。
输入（激励）
系
输出（响应）
统
线性时不变系统
• 遵守叠加定理和时不变特性。 • 任何存在于输入信号中的频率分量，经过
线性系统变换之后，它的输出响应中的幅 度和相位都可以改变，但不会出现新的频 率分量。可用于判断是否线性系统。
因果系统和稳定系统
• 数字信号：不仅时间是离散的，其函数值 也是量化的，即幅度离散。
注：由于数字信号与一般离散信号在数学 模型和分析方法上并无原则区别，故可不 作区分
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
确定信号和随机信号
• 确定信号：每个值都可以用有限个参量唯 一地加以描述；
• 随机信号：不能用有限参量来唯一确定地 加以描述，也无法对它的未来值确定地预 测，但可通过统计数字方法描述，常可用 概率密度函数或功率密度谱描述。如，噪 声（最常用的白噪声）。
20lg1000=60dB
数字信号处理的动态范围宽
数字系统，“0”、“1”电平，则N位数字系 统动态范围：
20lg(2N )=20Nlg2=6N dB 16位数字系统（N=16）的动态范围：
6*16=96 dB 可见，数字系统动态范围比模拟系统高36 dB。
数字信号处理的信号-噪声比高
信号在模拟系统经过一系列模拟运算处理， 误差积累，噪声逐级放大，整个系统信噪 比指标下降；
• 数字信号处理系统的灵活性强（可程控）， 易于实现自适应算法；
• 数字信号处理系统易于实现大规模集成， 处理能力更加强大。
时域处理和频域处理
• 时域处理：波形分析，示波器； • 频域处理：频谱分析，频谱仪。
例如，在雷达信号处理中，通过波形分析， 从信号的回波时间可得到目标的距离信息 （时域处理）；通过分析多普勒频移，可 得到目标的速度信息。
• 因果系统：系统的输入输出（I/O）具有物 理上的因果关系；
• 稳定系统：激励有界，响应也有界。
系统描述
• 连续情况，可用常系数微分方程、付氏变 换、拉普拉斯变换描述；
• 离散情况，可用差分方程、离散付氏变换、 Z变换描述。
系统模型
x(n)
h(n)
y(n) y(n)=x(n)*h(n)
F
F
F Y(f)=X(f)•H(f)
白噪声
• 所有频率（无限带宽，这是一种理想情况， 可定义所研究频带）下具有平坦的功率密 度（即均匀能量分布），但它的概率密度 函数可以有各种分布形式。
• 从信号处理的角度出发，由于噪声是一个 随机过程，可用统计方法描述，可将混杂 在有用信号中的噪声去除，即在噪声中提 取有用信号。
信号与频谱
• 信号：以时间为自变量，属时域描述； • 频谱：以频率为自变量，属频域描述； • 二者对应关系：付氏变换。
• 在A/D转换过程中，如果模拟量变化，将直 接影响转换精度。
• 采样/保持的输出在采样周期内跟踪电压输 入，并在保持周期把它保持在最后跟踪的 模拟电压值。（见图）
A/D变换
• 采样+二进制量化
连续信号 （模拟信号）
离散信号
（时间离散，幅度连续）
采样器
二进制量化
数字信号
量化误差及A/D有效位数
• n位A/D，量化级数为2n ，位数越高，量化 级数越多，量化误差（量化噪声）越小。
Signal——信号
在信号处理领域，信号被定义为一个随时 间变化的物理量。
真实世界的 物理信号
电信号
传感器
信号处理
连续信号和离散信号
• 连续信号：随时间连续变化，在一个时间 区间里的任何瞬间都有确定的值；
• 离散信号：只在离散的时间点有确定的值 （连续信号采样后得到的）。
模拟信号和数字信号
• 模拟信号：幅度连续的信号；
• A/D有效位数是A/D设计的重要指标。
量化误差及A/D有效位数
• 经典公式： S/N=6.02n+4.77 dB
说明：有效位数每增加一位， S/N提高约 6dB。可由此式反推计算A/D的有效位数。 例：n=12， S/N=70 dB
注意：
• A/D位数的提高，系统成本也会大大提高， 并且，输入信号本身带有噪声，当量化噪 声小于信号本身所带噪声时，再提高A/D的 位数已无意义。 所以，A/D位数并非越高约好。
数字信号处理方法与实现
内容提要
• DSP相关知识 • DSP结构特点、分类、发展及应用 • SHARC 系列DSP原理 • SHARC 系列DSP系统的硬件设计 • SHARC 系列DSP开发工具与软件设计 • 并行DSP技术 • 常用DSP算法 • 实验部分
参考书目
• ADSP SHARC系列DSP应用系统设计，电 子工业版