數(shù)字信號處理(DSP)及應(yīng)用概論.ppt

數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用,-概論,天津工業(yè)大學(xué) 信息與通信學(xué)院 吳濤,數(shù)字信號處理概論,1.1 數(shù)字信號處理概論 1.2 信號、系統(tǒng)和信號處理 1.3 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成 1.4 數(shù)字信號處理的學(xué)科概貌 1.5 數(shù)字信號處理的特點 1.6 數(shù)字信號處理的應(yīng)用,數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用概論,1.1 數(shù)字信號處理概論,數(shù)字信號處理（DSP，digital signal processing）是從20世紀(jì)6O年代以來，隨著信息學(xué)科和計算機學(xué)科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。它的重要性日益在各個領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出來。 簡言之，數(shù)字信號處理是把信號用數(shù)字或符號表示的序列，通過計算機或通用（專用）信號處理設(shè)備，用數(shù)字的數(shù)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(yīng)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(xiàn)形式，或說是傳遞信息的函數(shù)，而信息則是信號的具體內(nèi)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(jù)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(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)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(shù)，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(fēng)。,數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用-概論,若信號是兩個變量（例如空間坐標(biāo)x，y）的函數(shù)，則稱為二維信號； 若信號是多個（例如M個，M2）變量的函數(shù)，則稱為多維（M維）信號。,數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)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(shù)；或x（n）= x（nkN），k ，N皆為正整數(shù)，nkN為任意整數(shù)，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(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用-概論,（3）確定信號和隨機信號：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(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用-概論,（5）連續(xù)時間信號、離散時間信號和數(shù)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(shù)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(yīng)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。 離散時間信號（或稱序列）：時間是離散的，幅值是連續(xù)的。 數(shù)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(shù)字信號可用一序列的數(shù)來表示，而每個數(shù)又可表示為二進制碼的形式。,數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)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(xué)科。信號處理的內(nèi)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(shù)字計算機的飛速發(fā)展，加之從60年代未以來數(shù)字信號處理理論和技術(shù)的成熟和完善，用數(shù)字方法來處理信號，即數(shù)字信號處理，己逐漸取代模擬信號處理。,數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用-概論,三、數(shù)字信號處理的學(xué)科概貌 自從1965年庫利（Cooley）和圖基（Tukey）在計算數(shù)學(xué)（Mathematics of Computation上發(fā)表了“用機器計算復(fù)序列傅里葉級數(shù)的一種算法”即“快速傅里葉變換算法” 以來，數(shù)字信號處理這一學(xué)科蓬勃發(fā)展，逐漸形成了一整套較為完整的學(xué)科領(lǐng)域和理論體系。,數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用-概論,數(shù)字信號處理學(xué)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(shù)，抽樣，多率抽樣，量化噪聲理論等。 （4）數(shù)字濾波技術(shù)。 （2）譜分析與快速傅里葉變換（FFT），快速卷積與相關(guān)算法。 （6）自適應(yīng)信號處理。 （7）估計理論，包括功率譜估計及相關(guān)函數(shù)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(nèi)插、信號重建等）。 （11）數(shù)字信號處理的實現(xiàn)。 （12）數(shù)字信號處理的應(yīng)用。,數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用-概論,四、數(shù)字信號處理的特點 數(shù)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(wǎng)絡(luò)的精度由元器件決定，模擬元器件的精度很難達到10-3以上，而數(shù)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(shù)字系統(tǒng)。 （2）靈活性高：數(shù)字系統(tǒng)的性能主要由乘法器的系數(shù)決定，而系數(shù)是存放在系數(shù)存儲器中的，因而只需改變存儲的系數(shù)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(shù)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(shù)，且電平是連續(xù)變化的，易受溫度、噪聲、電磁感應(yīng)等的影響。數(shù)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(shù)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(chǎn)，電感器、電容器的數(shù)值、體積和重量都非常大，性能也不能達到要求，,數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用-概論,（5）時分復(fù)用：時分復(fù)用就是利用數(shù)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(shù)目也就越多。 （6）可獲得高性能指標(biāo)：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(shù)字譜分析中，已能做到10-3Hz的譜分析。又如，有限長沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器可實現(xiàn)準(zhǔn)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(shù)幀圖像信號，實現(xiàn)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(shù)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(xué)、電視、儀器中得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。,數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用-概論,五、數(shù)字信號處理的應(yīng)用 （1）濾波與變換：包括數(shù)字濾波卷積、相關(guān)、快速傅里葉變換（FFT）、希爾伯特（Hilbert）變換、自適應(yīng)濾波、加窗法等。 （2）通信：包括自適應(yīng)差分脈碼調(diào)制、自適應(yīng)脈碼調(diào)制、脈碼調(diào)制、差分脈碼調(diào)制、增量調(diào)制、自適應(yīng)均衡、糾錯、數(shù)字公用交換、信道復(fù)用、移動電話、調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)或數(shù)字信號的加密、破譯密碼、擴頻技術(shù)、通信制式的轉(zhuǎn)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(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。 （4）圖像、圖形：包括囪像壓縮、圖像增強、圖像復(fù)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(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用-概論,（5）消費電子：包括數(shù)字音頻、數(shù)字電視、音樂綜合器、電子玩具和游戲、CDVCDDVD播放機、數(shù)字留言應(yīng)答機、汽車電子裝置等。 （6）儀器：包括頻譜分析儀、函數(shù)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(yīng)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(dǎo)航、射頻調(diào)制解調(diào)器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、偵察衛(wèi)星、航空航天測試、自適應(yīng)波束形成、陣列天線信號處理等。,16數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法,（1）在通用的微型計算機上用軟件實現(xiàn)。軟件可以是自己編寫的，也可使用現(xiàn)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(xué)與仿真研究。如近年發(fā)展迅速的MATLAB，就幾乎可以實現(xiàn)所有數(shù)字信號處理的仿真。而且MATLAB下的部分仿真程序還可以轉(zhuǎn)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(zhǔn)實時系統(tǒng)來說是很有吸引力的。 （2）用單片機來實現(xiàn)，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(xiàn)人機接口。但由于單片機采用的是馮諾依曼總線結(jié)構(gòu)，所以單片機系統(tǒng)復(fù)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）利用專門用于信號處理的可編程DSP芯片來實現(xiàn)。與單片機相比，DSP有著更適合于數(shù)字信號處理的優(yōu)點。如采用改進的哈佛總線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有硬件乘法器和累加器，使用流水線結(jié)構(gòu)，具有良好的并行特性，并有專門設(shè)計的適于數(shù)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(yīng)用領(lǐng)域，如蜂窩電話、計算機驅(qū)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(shù)應(yīng)用于工程實際提供了可能。,數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用-概論,（4）利用特殊用途的DSP芯片實現(xiàn)。現(xiàn)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(xiàn)FIR濾波器和相關(guān)運算。美國INMOS公司推出的IMSAI00芯片，可以完成FIR、FFT、相關(guān)、卷積等運算，可以在2ms內(nèi)完成1024點復(fù)數(shù)FFT運算。 （5）用FPGA等可編程陣列產(chǎn)品開發(fā)ASIC芯片實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法。由于FPGA產(chǎn)品的發(fā)展，人們可以利用Altera（Altera公司的FPGA產(chǎn)品為FLEX6000，F(xiàn)LEX8000以及F1，EXI0K，我們習(xí)慣上把它們稱為FPGA，其實產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與FPGA有一定的差別）和Xilinx等公司提供的產(chǎn)品。 （6）在通用的計算機系統(tǒng)中加上加速卡來實現(xiàn)。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(fù)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(dāng)然，通常在系統(tǒng)中，通用計算機僅充當(dāng)沒有實時要求方法管理者的角色，而不再參與實時的數(shù)字信號處理。,數(shù)字信號處理（DSP）及應(yīng)用-概論,