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1、數字信號處理（DSP）及應用,-------------------概論,天津工業(yè)大學 信息與通信學院 吳濤,數字信號處理概論,1.1 數字信號處理概論 1.2 信號、系統(tǒng)和信號處理 1.3 數字信號處理系統(tǒng)的基本組成 1.4 數字信號處理的學科概貌 1.5 數字信號處理的特點 1.6 數字信號處理的應用,數字信號處理（DSP）及應用概論,1.1 數字信號處理概論,數字信號處理（DSP，digital signal processing）是從20世紀6O年代以來，隨著信息學科和計算機學科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學科。它的重要性日益在各個領域的應用中表現出來。 簡言之，數字信號處理是
2、把信號用數字或符號表示的序列，通過計算機或通用（專用）信號處理設備，用數字的數值計算方法處理（例如濾波、變換、壓縮、增強、估計、識別等），以達到提取有用信息便于應用的目的。,1.2 信號、系統(tǒng)和信號處理,1）信號 ： 信號是信息的物理表現形式，或說是傳遞信息的函數，而信息則是信號的具體內容。例如，交通紅綠燈是信號，它傳遞的信息是：紅停止，綠通行。根據載體的不同，信號可以是電的、磁的、聲的、光的、機械的、熱的等各種信號。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,2）一維信號、二維信號、矢量信號： 信號的變量可以是時間，也可以是頻率、空間或其他的物理量。 若信號是一個變量（例如時間）的函數
3、，則稱為一維信號； 如圖1.“away”語音；2.“ooo”語音；3.虎鯨 4.256hz聲音；5.腦電圖；6.風。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,若信號是兩個變量（例如空間坐標x，y）的函數，則稱為二維信號； 若信號是多個（例如M個，M2）變量的函數，則稱為多維（M維）信號。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,（2）周期信號和非周期信號：若信號滿足x（t）=x（tkT），k為正整數；或x（n）= x（nkN），k ，N皆為正整數，nkN為任意整數，則x（t）和x（n）都是周期信號，周期分別為T和N；否則就是非周期信號。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,（3）確定
4、信號和隨機信號：若信號在任意時刻的取值能精確確定，則稱它為確定信號；若信號在任意時刻的取值不能精確確定，或說取值是隨機的，則稱為隨機信號。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,（5）連續(xù)時間信號、離散時間信號和數字信號： 變量的取值方式有連續(xù)與離散兩種。若變量（一般都看成時間）是連續(xù)的，則稱為連續(xù)時間信號；若變量是離散數值，則稱為離散時間信號。信號幅值的取值方式又分為連續(xù)與離散兩種方式（幅值的離散稱之為量化），因此，組合起來應該有以下四種情況： 連續(xù)時間信號：時間是連續(xù)的，幅值可以是連續(xù)的也可以是離散（量化）的。 模擬信號：時間是連續(xù)的，幅值是連續(xù)的，這是上一種信號的特例。 離散時
5、間信號（或稱序列）：時間是離散的，幅值是連續(xù)的。 數字信號：時間是離散的，幅值是量化的。由于幅值是量化的，故數字信號可用一序列的數來表示，而每個數又可表示為二進制碼的形式。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,3信號處理 信號處理是研究用系統(tǒng)對含有信息的信號進行處理（變換），以獲得人們所希望的信號，從而達到提取信息、便于利用的一門學科。信號處理的內容包括濾波、變換、檢測、譜分析、估計、壓縮、識別等一系列的加工處理。 隨著大規(guī)模集成電路以及數字計算機的飛速發(fā)展，加之從60年代未以來數字信號處理理論和技術的成熟和完善，用數字方法來處理信號，即數字信號處理，己逐漸取代模擬信號處理。,數字信
6、號處理（DSP）及應用----概論,三、數字信號處理的學科概貌 自從1965年庫利（Cooley）和圖基（Tukey）在計算數學（Mathematics of Computation上發(fā)表了“用機器計算復序列傅里葉級數的一種算法”即“快速傅里葉變換算法” 以來，數字信號處理這一學科蓬勃發(fā)展，逐漸形成了一整套較為完整的學科領域和理論體系。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,數字信號處理學科包含有： （1）離散時間線性時不變系統(tǒng)分析。 （2）離散時間信號時域及頻域分析、離散傅里葉變換（DFT）理論。 （3）信號的采集。包括AD，DA技術，抽樣，多率抽樣，量化噪聲理論等。 （4）數
7、字濾波技術。 （2）譜分析與快速傅里葉變換（FFT），快速卷積與相關算法。 （6）自適應信號處理。 （7）估計理論，包括功率譜估計及相關函數估計等。 （8）信號的壓縮，包括語音信號與圖信號的壓縮。 （9）信號的建模，包括AR，MA，ARMA，CAPON，PRONY等各種模型。 （10）其他特殊算法（同態(tài)處理、抽取與內插、信號重建等）。 （11）數字信號處理的實現。 （12）數字信號處理的應用。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,四、數字信號處理的特點 數字信號處理系統(tǒng)具有以下一些明顯的優(yōu)點： （1）精度高：模擬網絡的精度由元器件決定，模擬元器件的精度很難達到10-3以
8、上，而數字系統(tǒng)只要14位字長就可達到10-4 的精度。在高精度系統(tǒng)中，有時只能采用數字系統(tǒng)。 （2）靈活性高：數字系統(tǒng)的性能主要由乘法器的系數決定，而系數是存放在系數存儲器中的，因而只需改變存儲的系數就可得到不同的系統(tǒng)，比改變模擬系統(tǒng)方便得多。 （3）可靠性強：因為數字系統(tǒng)只有兩個信號電平“0”和“1”，因而受周圍環(huán)境的溫度及噪聲的影響較小。而模擬系統(tǒng)的各元器件都有一定的溫度系數，且電平是連續(xù)變化的，易受溫度、噪聲、電磁感應等的影響。數字系統(tǒng)如采用大規(guī)模集成電路，其可靠性就更高。 （4）容易大規(guī)模集成：由于數字部件具有高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成、大規(guī)模生產，電感器、電容器的數值、體積和重量都非
9、常大，性能也不能達到要求，,數字信號處理（DSP）及應用----概論,（5）時分復用：時分復用就是利用數字信號處理器同時處理幾個通道的信號，其系統(tǒng)的方框圖見圖皿。由于某一路信號的相鄰兩抽樣值之間存在著很大的空隙時間，因而可在同步器的控制下，在此時間空隙中送人其他路的信號，而各路信號則利用同一個信號處理器，后者在同步器的控制下，算完一路信號后再算另一路信號。處理器的運算速度越高，能處理的信道數目也就越多。 （6）可獲得高性能指標：例如對信號進行頻譜分析，模擬頻譜儀在頻率低端只能分析到10Hz以上的頻率，且難以做到高分辨率（足夠窄的帶寬）；但在數字譜分析中，已能做到10-3Hz的譜分析。又如，有限
10、長沖激響應數字濾波器可實現準確的線性相位特性，這在模擬系統(tǒng)中是很難達到的。 （7）維與多維處理：利用龐大的存儲單元可以存儲一幀或數幀圖像信號，實現二維甚至多維信號的處理，包括二維或多維濾波、二維或多維譜分析等。 由于數字信號處理的突出優(yōu)點，使得它在通信、語音、雷達、地震測報、聲吶、遙感、生物醫(yī)學、電視、儀器中得到愈來愈廣泛的應用。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,五、數字信號處理的應用 （1）濾波與變換：包括數字濾波卷積、相關、快速傅里葉變換（FFT）、希爾伯特（Hilbert）變換、自適應濾波、加窗法等。 （2）通信：包括自適應差分脈碼調制、自適應脈碼調制、脈碼調制、差分脈碼調
11、制、增量調制、自適應均衡、糾錯、數字公用交換、信道復用、移動電話、調制解調器、數據或數字信號的加密、破譯密碼、擴頻技術、通信制式的轉換、衛(wèi)星通信、TDMAFDMACDMA等 各種通信制式、回波對消、IP電話、軟件無線電等。 （3）語音、語言：包括語音郵件、語音聲碼器、語音壓縮、數字錄音系統(tǒng)、語音識別、語音合成、語音增強、文本語音變換、神經網絡等。 （4）圖像、圖形：包括囪像壓縮、圖像增強、圖像復原、圖像重建、圖像變換、圖像分割與描繪、模式識別、計算機視覺、固態(tài)處理、電子地圖、電子出版、動畫等。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,（5）消費電子：包括數字音頻、數字電視、音樂綜合器、
12、電子玩具和游戲、CDVCDDVD播放機、數字留言應答機、汽車電子裝置等。 （6）儀器：包括頻譜分析儀、函數發(fā)生器、地震信號處理器、瞬態(tài)分析儀、鎖相環(huán)、模式匹配等。 （7）工業(yè)控制與自動化，包括機器人控制、激光打印機控制、伺服控制。自動機、電力線監(jiān)示器、計算機輔助制造、引擎控制、自適應駕駛控制等。 （8）醫(yī)療：包括健康助理、病人監(jiān)視、超聲儀器、診斷工具、CT掃描、核磁共振、助聽器等。 （9）軍事：包括雷達處理、聲吶處理、導航、射頻調制解調器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、偵察衛(wèi)星、航空航天測試、自適應波束形成、陣列天線信號處理等。,16數字信號處理的實現方法,（1）在通用的微型計算機上用軟件實現。軟件
13、可以是自己編寫的，也可使用現成的軟件包。這種方法的缺點是速度太慢，不能用于實時系統(tǒng)，只能用于教學與仿真研究。如近年發(fā)展迅速的MATLAB，就幾乎可以實現所有數字信號處理的仿真。而且MATLAB下的部分仿真程序還可以轉化為C語言，再通過DSP的C編譯器直接在DSP硬件上運行。這對非實時系統(tǒng)或準實時系統(tǒng)來說是很有吸引力的。 （2）用單片機來實現，單片機一直在不斷地發(fā)展，如Iniei 96000的運算速度就非?？捎^，而且單片機的接口性能比較好，容易實現人機接口。但由于單片機采用的是馮諾依曼總線結構，所以單片機系統(tǒng)復雜，尤其是乘法運算速度慢，在運算量大的實時控制系統(tǒng)中很難有所作為。 （3）利用專門用于
14、信號處理的可編程DSP芯片來實現。與單片機相比，DSP有著更適合于數字信號處理的優(yōu)點。如采用改進的哈佛總線結構，內部有硬件乘法器和累加器，使用流水線結構，具有良好的并行特性，并有專門設計的適于數字信號處理的指令系統(tǒng)等。DSP芯片的這些特點對不允許延遲的實時應用領域，如蜂窩電話、計算機驅動器等非常理想。閨此，可以說，DSP芯片的問世及飛速發(fā)展，為信號處理技術應用于工程實際提供了可能。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,（4）利用特殊用途的DSP芯片實現?，F在國際上已推出了不少專門用于FFT、FIR濾波、卷積等的專用芯片，如TDeI028可以實現FIR濾波器和相關運算。美國INMOS公司推
15、出的IMSAI00芯片，可以完成FIR、FFT、相關、卷積等運算，可以在2ms內完成1024點復數FFT運算。 （5）用FPGA等可編程陣列產品開發(fā)ASIC芯片實現數字信號處理算法。由于FPGA產品的發(fā)展，人們可以利用Altera（Altera公司的FPGA產品為FLEX6000，FLEX8000以及F1，EXI0K，我們習慣上把它們稱為FPGA，其實產品結構與FPGA有一定的差別）和Xilinx等公司提供的產品。 （6）在通用的計算機系統(tǒng)中加上加速卡來實現。加速卡可以是通用的加速處理機，也可以是由DSP開發(fā)的用戶加速卡，如果是DSP開發(fā)的用戶加速卡，那么在日益復雜的控制系統(tǒng)中，在DSP芯片價格不斷下降的條件下，這一方法是很常用的。當然，通常在系統(tǒng)中，通用計算機僅充當沒有實時要求方法管理者的角色，而不再參與實時的數字信號處理。,數字信號處理（DSP）及應用----概論,
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