数字信号处理第1章绪论

我们可以把生命信号概括分为二大类： 化学信息 主
动 性 信 号
指组成人体的有机物在发生变化时所给出的 信息，它属于生物化学所研究的范畴。
物理信息
指人体各器官运动时所产生的信息。分为电 信号和非电信号两大类。



人体电信号，如体表心电（ECG）信号、脑电 （EEG）、肌电（EMG）、眼电（EOG）、 胃电（EGG）等在临床上取得了不同程度的应 用。人体磁场信号。 人体非电信号，如体温、血压、心音、心输出 量及肺潮气量等，通过相应的传感器，即可转 变成电信号。 电信号是最便于检测、提取和处理的信号。
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第1章 绪论

1.1 什么是DSP？（基本概念）
信号、系统和信号处理 数字信号处理

1.2 DSP的基本组成
DSP的基本组成 DSP的实现方法 DSP的特点 DSP的应用
1.3 医学信号处理 1.4 学习DSP的方法

信号？
数字信号？
数字信号处理？ 医学信号处理？

来值确定地预测。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。
信号的变量的一般有时间与幅值，其取值方 式有连续与离散两种。 时间：连续 离散（采样） 幅值：连续 离散（量化）
2.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。

3.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。
数字信号处理的特点

与模拟系统相比，数字系统具有如下特点：
精度高
可靠性高 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
1.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。

7.二维与多维处理

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。
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。



1.2 典型数字信号处理系统的基本组成
模拟 前置预
滤波器
xa(t) PrF
A/D 变换器 ADC
数字信号 处理 DSP
D/A 变换器 DAC
模拟 ya(t) 滤波器 PoF
(1)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。
(2)A/D变换器
0
x(n)
(3)数字信号处理

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).
y(n)
X a ( n T )
xa (nT )
t
n
0 1 2 3 4
n
T
2 T
(4)D/A变换器
由一个二进制流产生一个阶梯波形，是形成 模拟信号的第一步。 把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。

y(t)
y(t )
0
t
(5)后置滤波器

以滤除掉不需要的高频分量，生成所需的模 拟信号ya(t).
ya (t )
t
数字信号处理的实现方法
1.采用大、中小型计算机和微机。 优点：实时处理 2.用单片机。 缺点： 专用 3.利用特殊用途的DSP芯片 4.利用通用DSP芯片

实时，通用， 软件实现
信号、系统和信号处理(复习) 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时间变化的物理量。 信号是信息的表现形式。

常见信号：
电压，电流，磁通；
温度，压力， 压强；
光，机械振动； 价格，经济指数，股市指数；
流量，水位，潮位；
人体生理信号 等等
常见人体生理信号 （生物医学信号）
ECG(心电) EEG(脑电) EOG(眼电)
EMG(肌电)
PCG(心音)
不同心脏病人的心电图
脑电信号
胎儿心电信号
脑电（EEG）的节律（即主要频率）：

节律：<4Hz 的成分；
（深睡）

节律：4Hz～8Hz 的成分； （浅睡）
节律：8Hz～13Hz 的成分； （清醒）

（受刺激或思考） 节律：>13Hz 的成分。
1 2 3 n 1
多路器
DSP
分 路 器
2 3 n
同步
6.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。

多数科学和工程中遇到的是模拟信号。 模拟信号处理缺点：难以做到高精度，受环境影响 较大，可靠性差，且不灵活等。 随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展， 加之从60年代末以来数字信号处理理论和技术的成 熟和完善，数字信号处理已逐渐取代模拟信号处理。 随着信息时代、数字世界的到来，数字信号处理已 成为一门极其重要的学科和技术领域。
模拟信号：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 ( n) f n
x f (t )
O
t
t
O
n n
2、系统

定义：处理信号的物理设备或运算。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。 系统分类：大小之分，一个大系统可细分为若干个 小系统。 实际上，因为系统是完成某种运算（操作）的，因 而我们还可把软件编程也看成一种系统的实现方法。


系统的分类
连续时间系统：处理连续时间信号，系统输入、输
出均为连续时间信号。
离散时间系统：处理离散时间信号序列，系统输入、
输出均为离散时间信号。
模拟系统：处理模拟信号、系统输入、输出均为连
续时间连续幅度的模拟信号。
数字系统：处理数字信号，系统输入、输出均为数
字信号。
3、信号处理
是研究系统对含有信息的信号进行处理（变 换），以获得人们所希望的信号，从而达到提取信 息、便于利用的一门学科。 例如：滤波、检测、变换、增强、估计、识别、参 数提取、频谱分析等。

数字信号处理的应用
数字信号处理大致可分为：信号分析和信号 滤波 信号分析----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、语音分析和识别、目标检测等。 数字滤波----就是在形形色色的信号中提取所 需要的信号,抑制不需要的信号或干扰信号。 应用于：消除信息在传输过程中的失真、滤 除干扰、频带分割等
1.1什么是数字信号处理（DSP）？

DSP(Digital Signal Processing)是近几十年发展起 来的一门新兴学科。 数字信号处理是利用计算机或专用设备，以数值计算 的方法对信号进行滤波、变换、增强、估值、识别等 加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的的一 门学科。


对于DSP： 狭义：Digital Signal Processor 数字信号处理器 广义：Digital Signal Processing 数字信号处理技术
数字信号处理 张长森 中国电力出版社


参考教材：
数字信号处理 胡广书 清华大学出版社 数字信号处理 程佩青 清华大学出版社 数字信号处理及matlab实现 清华大学出版社
课时安排




绪论 离散时间信号系统 Z变换、时域离散信号与系统的频域分析 离散傅立叶变换 快速傅立叶变换算法 数字滤波器的基本结构 无限冲激响应数字滤波器的设计 有限脉冲响应数字滤波器的设计 数字信号处理的实现与工程应用实例 随机时间信号及功率谱计算

由模拟信号产生数字信号（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，并通过保持电路量化。
经过A/D变换器后，不但时间离散化了， 幅度也量化了，这种信号称为数字信号。 用x(n)表示。

抽样
xa(t)
0 x(n)的二进制数
t x(n)
0110 0011 0011 0111 0110 1100 0010 0010 1001 1001

例:
00000000
00000001 00000010 29mV
A/D
0V
20mV 40mV
ຫໍສະໝຸດ Baidu
8bit
5V
31mV
连续时间信号和离散时间信号


连续时间信号：指随时间信号而连续变化的信号。 离散时间信号：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



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。
DSP的典型应用


语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语 音邮件、语音储存等。 图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像 识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。 军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、 跳频电台、搜索和反搜索等。 仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。 自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘 控制等。 医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。 家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音 调控制、玩具与游戏等。

5.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。
4.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。

信号分类
一维信号、二维信号、矢量信号 周期信号和非周期信号 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 能量信号和功率信号 以描述。 连续时间信号和离散时间信号 能量信号：能量为有限值的信号 功率信号：功率为有限值的信号 随机信号：不能用有限的参量加以描述。也无 法对它的未 模拟信号和数字信号
医学信号处理
Digital Signal Processing
侯海燕 医学技术与工程学院
学分：4(必修) 总学时：64 理论学时：52 实验学时：12 成绩评定：平时成绩（30%）+期末考试成绩（70%） 平时成绩：考勤+作业+实验 期末考试：闭卷
难度系数：★★★★☆
1

先修课程：信号与系统 教材：
生物医学信号处理


1.生物医学信号的特点 2 生物医学信号的检测处理方法概述 3 应用实例
1 生物医学信号的特点

生物医学信号处理是生物医学工程学的一个 重要研究领域，也是近年来迅速发展的数字 信号处理技术的一个重要的应用方面，正是 由于数字信号处理技术和生物医学工程的紧 密结合，才使得我们在生物医学信号特征的 检测、提取及临床应用上有了新的手段，因 而也帮助我们加深了对人体自身的认识。
火车鸣笛信号
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
二维信号： f ( x, y) 视频信号：
f ( x, y; t )
股票指数：
人口统计：
温度测量：
信号的表示
任何一个信号可以用它的形状、幅度、时 间以及其它物理量来表示。 在许多情况下，信号可以表示为一个数学 表达式，而在某些情况下，信号还可以表 示为一个图形、曲线或一组数据。