自适应滤波算法与实现

信号处理
•滤波 •变换 •压缩 •估计 •识别
数字信号处理的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ科概貌
1.数字信号处理开端 •在国际上一般把1965年由Cooley-Turkey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。
数字信号处理领域的理论基础
•数字信号处理的基本工具：微积分，概率统计，
随机过程，高等代数，数值分析，近代代数， 复杂函数。 •数字信号处理的理论基础：离散线性变换(LSI) 系统理论，离散付里叶变换(DFT)。
“数字信号处理”又成为一些学科的理 论基础
•在学科发展上，数字信号处理又和最优控 制，通信理论，故障诊断等紧紧相连， 成为人工智能，模式识别，神经网络， 数字通信等新兴学科的理论基础。
DSP的典型应用
•1.网络 •2.无线通信 •3.家电 •4.另外还有虚拟现实，噪声对消技术，电机控 制，图像处理等等 •可以说DSP是现代信息产业的重要基石，它在网 络时代的地位与CPU在PC时代的地位是一样的。
举例1.语音处理
• 它是最早采用数字信号处理技术的领域之一。 • 本世纪50年代提出语音形成数字模型，经过 十多年对语音的分析、综合、证明是正确的。
可靠性强
•数字系统：只有两个信号电平0，1受噪声及环 境条件等影响小。 •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 •且数字系统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。
灵活性大
• 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。
信号的最基本的参数
•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)

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)
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)
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。
可获得高性能指标
•例：对信号进行频谱分析 •模拟频谱仪在频率低端只能分析到10Hz以上频 率，且难于做到高分辨率(也即足够窄的带宽)。 •但在数字的谱分析中，已能做到10-3Hz的谱分 析。 •又例：有限长冲激响应数字滤波器，则可实现 准确的线性相位特性，这在模拟系统中是很难 达到的。
二维与多维处理
•利用庞大的存储单元，可以存储一帧或数 帧图象信号，实现二维甚至多维信号包 括二维或多维滤波，二维及多维谱分析 等。
•由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能 很强。 •优点：可根据不同环境配不同单片机，其能达 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。 •如内部带有乘法器，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(如FFT指令)等。 •目前市场上的DSP芯片有： •美国德州仪器公司(TI):TMS320CX系列占有90% •还有AT&T公司dsp16,dsp32系列 •Motorola公司的dsp56x,dsp96x系列 •AD公司的ADSP21X,ADSP210X系列
局限性
•数字系统的速度还不算高，因而不能处理很高 频率的信号。(因为抽样频率要满足奈奎斯特 准则定理) •另外，数字系统的设计和结构复杂，价格较高， 对一些要求不高的应用来说，还不宜使用。
第四节 数字信号处理的应 用领域
数字信号处理的应用领域
•自20世纪60年代以来，数字信号处理的应用已 成为一种明显的趋势，这与它突出优点分不开 的。 •数字信号处理大致可分为： •信号分析 •信号滤波
易于大规模集成
•数字部件：高度规范性，便于大规模集成，大 规模生产，对电路参数要求不严，故产品成品 率高。 •例：(尤其)在低频信号：如地震波分析，需要 过滤几Hz~几十Hz的信号，用模拟系统处理其 电感器、电容器的数值，体积，重量非常大， 且性能亦不能达到要求，而数字信号处理系统 在这个频率处却非常优越(显示出体积，重量 和性能的优点。
信号分析
•任务：涉及信号特性的测量。它通常是一个频 域的运算。 •主要应用于： 谱(频率和/或相位)分析 语音分析 说话人识别 目标检测
信号滤波
•任务：是信号入--->信号出的情况。实现这个 任务的系统被称为滤波器。它通常(但不总是) 作时域运算。 •主要应用于：滤除不需要的背景噪声，去除干 扰，频带分割，信号谱的成形。 所以它广泛地应用于数字通信，雷达，遥感， 声纳，语音合成，图象处理，测量与控制，高 清晰度电视，多媒体物理学，生物医学，机器 人等。
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。
确定性信号和随机信号
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
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
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。
用单片机
利用特殊用途的DSP芯片
•市场上推出专门用于FFT,FIR滤波器，卷积、相 关等专用数字芯片。 •如：BB公司：DF17XX系列 •MAXIM公司：MAXIM27X ,MAXIM28X •National公司：National-SEMI系列：MF系 列。 •其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使 用者只需给出输入数据，可在输出端直接得到 数据。
第三节 数据信号处理的特点
数据信号处理的特点
•与模拟系统(ASP)相比，数字系统具有如下特点： •精度高 •可靠性 •灵活性大 •易于大规模集成 •时分复用 •可获得高性能指标 •二维与多维处理
精度高
• 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，有时只能采用数字系统。
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
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。
模拟信号和数字信号
•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。
4.通信
•整个通信领域几乎没有不受数字信号处理技术 影响的地方。 •数字技术已用于信号的调制、解调、滤波、混 频、检波和多路传输等问题中。 •语音数据压缩与解压是数字信号处理的重要内 容。 •在电信领域，数字处理技术已发展到音调检测， 回波清除、数字开关网和自适应均衡、数据加 密、数据压缩、可视电话等。许多音频通信的 信号处理功能，已由单块集成电路实现。
举例1.语音处理
• 在语音领域现存在着三种系统：语音分析系 统：(自动语音识别系统，它能识别语音，辨 认说话的人是谁，而且破译后，能立即作出决 断。语音综合系统：盲人的自动阅读机，声音 响应的计算机终端，会说话玩具，家用电器 (CD,VCD,DVD)。语音分析综合系统：语音存储 和检索系统。 • 广泛应用于电话窃听。即应用于语音编码、 语音合成、语音识别、语音增强、说话人确认、 语音邮件、语音存储等。
DSP 的定义


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。 •例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析等。 •对于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。在此我们讨论的DSP的概念 是指广义的理解。
数字信号处理基本应用
•数字信号处理对于很多的应用都是必需的：
语音合成 回声处理 数字信号及图像滤波 文字识别 声音压缩 音乐合成 水印加密 数字测绘 图像边缘检测 噪音控制 地震波分析 图像压缩 语音识别 数字音频 图像文字识别 建筑音响
数字信号处理系统的基本组成

以下所讨论的是模拟信号的数字信号处理系统.
自适应滤波算法与实现
第一节 什么是数字信号 处理
数字信号处理基础
1.什么是数字信号处理
2.数字信号处理的实现 3.数据信号处理的特点
4.数字信号处理的应用领域
5. DSP技术的发展趋势
DSP 的定义
DSP 为 Digital Signal Processing （数字信号处理）和 Digital Signal Processor （数字信号处理器） 的缩写。
数字信号处理器(DSP)
•按照预定要求，在处理器中将信号序列x(n)进 行加工处理得到输出信号y(n).
D/A变换器
•由一个进制流产生一个阶梯波形，是形成模拟 信号的第一步。
后置滤波器
•把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。 •以滤除掉不需要的高频分量，生成所需的模拟 信号ya(t).
第二节 数字信号处理的 实现
2.图像处理
•数字信号处理技术成功应用的图像处理方法有： •数据压缩 •图像复原 •清晰化与增强 由于单个数字图像以1兆个采样值的量级表示， 所以要求高性能的处理机、高密度的数据存储 器。即要求高速度硬件。
雷达
• 在军事上，雷达、计算机、射击武器等组成一 个自动控制系统。 • 当目标进入雷达的作用半径以内并被雷达自动 跟踪时，雷达就测量出目标的当前位置(距离、 方位角和高低角)，并把数据送入计算机，推 算出目标的航向，航速，引导导弹或自动火炮 去击中目标(爱国者导弹对飞毛腿导弹)。雷达 系统是应用高性能数字信号处理技术的一个例 子。 • 雷达系统主要信号处理功能包括： • 信号产生、匹配滤波、门限比较、目标参数 (如射程、方位和速度)估计。
前置滤波器
•将输入信号xa(t)中高于某一频率(称折叠频率，
等于抽样频率的一半)的分量加以滤除。
A/D变换器
•由模拟信号产生一个二进制流。 •在A/D变换器中每隔T秒(抽样周期)取出一次 xa(t)的幅度，抽样后的信号称为离散信号。 A/D转换分两步进行：第一步，采样。第二步 量化和数字化。