数字信号处理——01绪论.ppt
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1、n n随着现代科学技术的发展,特别是大规模集成电路的出现,使数字信号处理技术水平获得空前提高。数字信号处理是一门理论和技术发展十分迅速、广泛应用于众多领域的前沿交叉性学科。它研究把信号用数字或符号表示成序列,通过计算机或通用(专用)信号处理设备,用数字的数值计算方法处理,提取有用信息便于应用的客观规律性。第1章 绪论1.1信号的分类n n1.1.信号:信号是信息的载体,可分为模拟信号和信号:信号是信息的载体,可分为模拟信号和数字信号。信号数字信号。信号传递信息的函数也传递信息的函数也是独立变量的是独立变量的函数,这个变量可以是时间、空间位置等。函数,这个变量可以是时间、空间位置等。n n2.2
2、.连续信号:在某个时间区间,除有限间断点外连续信号:在某个时间区间,除有限间断点外所有瞬时均有确定值。所有瞬时均有确定值。n n3.3.模拟信号是连续信号的特例。时间和幅度均连模拟信号是连续信号的特例。时间和幅度均连续。续。n n4.4.离散信号:时间上不连续,幅度连续。离散信号:时间上不连续,幅度连续。n n5.5.数字信号:幅度量化,时间和幅度均不连续。数字信号:幅度量化,时间和幅度均不连续。n n离散信号是只在一组特定的时刻取数值,在其它时间不取值或数值为零的信号,因此又称为离散时间信号。如果离散信号的幅度值离散(量化),即将幅度值量化为二进制代码序列,则为数字信号。因此,数字信号就是用
3、数字序列表示的信号。图像信号经取样和量化后,得到一个二维的离散空间数字序列。12数字信号处理领域的理论基础n n信息用一定形式的信号被表示,这样才能容易被检测、传信息用一定形式的信号被表示,这样才能容易被检测、传输、存储、显示。数字信号是数据或符号序列,对这些序输、存储、显示。数字信号是数据或符号序列,对这些序列进行加、减、乘以及逻辑运算等各种数学运算。这与模列进行加、减、乘以及逻辑运算等各种数学运算。这与模拟信号是不同的。由于计算机技术的进步,现在离散时间拟信号是不同的。由于计算机技术的进步,现在离散时间信号的处理是主要的。大家将看到,在第五章以前,涉及信号的处理是主要的。大家将看到,在第五
4、章以前,涉及的都是离散时间信号处理,即只涉及信号在时间上离散这的都是离散时间信号处理,即只涉及信号在时间上离散这一特征。在考虑了第九章中讨论的由于量化编码的有限字一特征。在考虑了第九章中讨论的由于量化编码的有限字长效应,才能称之为数字信号处理。但随着计算机性能的长效应,才能称之为数字信号处理。但随着计算机性能的逐步提高,以前重要的有限字长效应分析现在变得次要起逐步提高,以前重要的有限字长效应分析现在变得次要起来。这样看来,数字信号处理学科有着宽广而坚实的理论来。这样看来,数字信号处理学科有着宽广而坚实的理论基础,主要是离散线性变换基础,主要是离散线性变换(LSI)(LSI)系统理论和离散付里叶
5、系统理论和离散付里叶变换变换(DFT)(DFT)理论。理论。n n具体地说,主要包括:信号采集(具体地说,主要包括:信号采集(A/DA/D技术、抽技术、抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等);离散信样定理、多抽样率、量化噪声分析等);离散信号时域及频域分析和各种变换技术等;信号处理号时域及频域分析和各种变换技术等;信号处理中的快速傅立叶变换和快速卷积与相关等;数字中的快速傅立叶变换和快速卷积与相关等;数字滤波器设计与实现等;信号估值理论、相关函数滤波器设计与实现等;信号估值理论、相关函数与功率谱估计等;信号处理技术的软硬件实现及与功率谱估计等;信号处理技术的软硬件实现及其应用。它的基本数学工具是
6、微积分,概率统计,其应用。它的基本数学工具是微积分,概率统计,随机过程,高等代数,数值分析,近代代数,复随机过程,高等代数,数值分析,近代代数,复变函数等。相对于技术的发展,其基本理论较为变函数等。相对于技术的发展,其基本理论较为稳定。图稳定。图1-21-2是一个数字信号处理系统示意图。是一个数字信号处理系统示意图。A/D变换器通用或专用计算机采样保持器D/A变换器模拟低通滤波器模 拟 信号数字信号模 拟 信号图1-2 数字信号处理系统示意图连续时间信号连续时间信号模拟信号的数字化数字信号数码量化电平模拟信号采样保持信号量化电平数字信号转化成模拟信号数字信号数码量化电平D/A输出信号模拟信号D
7、/AD/A输出输出模拟滤波输出模拟滤波输出13 数字信号处理发展的动力1)应用领域 随着数字信号处理理论和技术水平的不断提高,随着数字信号处理理论和技术水平的不断提高,其硬件产品,如其硬件产品,如TMS320C6000DSPTMS320C6000DSP高性能、易使高性能、易使用和低成本的特点使它成为多通道、多功能应用场合用和低成本的特点使它成为多通道、多功能应用场合的理想选择;共享的理想选择;共享modemmodem、无线基站、光传输基站、无线基站、光传输基站、远程操作服务器远程操作服务器(RAS)(RAS)、DSLDSL系统、系统、Cable modemCable modem、多通道电话系统
8、、多通道电话系统、3D3D图像虚拟实现、语音识别和处图像虚拟实现、语音识别和处理、智能机器人、雷达、大气模型和成像技术、无线理、智能机器人、雷达、大气模型和成像技术、无线多媒体通信和多媒体通信和INTERNETINTERNET等。等。各种数字信息系统各种数字信息系统Digital Media ProcessingWebpadTelematicsWireless Devices:802.11,Bluetooth,OthersEnhanced GamingMilitary and Government Cellular,Secure ConnectivityIndustry-Specific PD
9、AsBiometricsMedical Devicesn n在机械制造中,基于 FFT算法的频谱分析仪用于振动分析和机械故障诊断;医学中使用数字信号处理技术对心电(ECG)和脑电(EEG)等生物电信号作分析和处理;数字音频广播(DAB)广泛地使用了数字信号处理技术。可以说,数字信号处理技术已在信息处理领域引起了广泛的关注和高度的重视。语音压缩n n在手机中用可将语音压缩至13bsp,在Inmarsat 卫星电话中用将语音压缩至4.3bps后,仍具有良好的清晰度。在语音信箱、留言电话方面也都采用语音压缩技术和。图像处理n n数字信号处理技术应用于图像处理有:数字信号处理技术应用于图像处理有:n
10、n(1 1)数据压缩)数据压缩 采用压缩编码,可在保证一定图像(或声音)采用压缩编码,可在保证一定图像(或声音)质量的条件下,以最小的数据率来表达和传送图像质量的条件下,以最小的数据率来表达和传送图像(或声音)信息。(或声音)信息。n n(2 2)图像复原)图像复原n n(3 3)清晰化与增强)清晰化与增强 由于单个数字图像以由于单个数字图像以1 1兆个采样值的量级表示,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。储器。即要求高速度硬件。数字压缩n n数据压缩在一定条件下把原始信号所含信息数据进行压缩,如语音、声音
11、、图像信号中含有许多冗余信息,通过数字信号压缩算法最大限度地去除这些信号中的冗余度,使压缩后信号带宽减小,提高传输效率。作数据存储时可降低所需存储介质的容量。例如直径为120的光盘,本来存储的只是一套70分钟的 立体声音乐,现在可将70分钟电视信号和音乐信号都压缩到120的光盘上,即光盘。会议电视和可视电话n n采用完成视频图像信号的压缩,制成可通过公用电话交换网()传输的会议电视或可视电话。雷达n n在军事上,雷达、计算机、射击武器等组成一个自动控制系统。n n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
12、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。n n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。通信n n整个通信领域几乎没有不受数字信号处理技术影响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。的地方。(占占60%60%)n nDSPDSP主要应用于通信的热门产品中。如:蜂窝电话主要应用于通信的热门产品中。如:蜂窝电话(Cellular phone)Cellular phone)、ADSLADSL调制解调器、线缆调制调制解调器、线缆调制解调器解调器(Cable mo
13、dem)(Cable modem)、蓝牙技术、蓝牙技术(bluetooth)(bluetooth)产产品,数字电话应答机(品,数字电话应答机(digital telephone digital telephone answering device)answering device)、全球定位系统(、全球定位系统(global global positioning system,GPSpositioning system,GPS),卫星电话),卫星电话(satellite(satellite phone)phone)、电话会议、电话会议(conference speaker phone)(con
14、ference speaker phone)、电视电话会议编译码器电视电话会议编译码器(video conferencing code(video conferencing code)、IPIP电话电话(voice over IP)(voice over IP)、IPIP传真传真(fax over IP)(fax over IP)、ATMATM电话电话(voice over ATM)(voice over ATM)、智能天线、智能天线(smart(smart antenna)antenna)、PCSPCS用户端用户端(subscriber set)(subscriber set)。回声抵消装置
15、n n利用通信卫星打越洋长途电话时,因静止卫星离地球表面36000,通信延时为0.24,就会在话机中听到自己的讲话,影响正常通话,现在采用了做的回声抵消器,可把回声抑制掉。调制解调器n n调制解调器()。为在电话线上传输计算机数据,采用可做成符合规定的各种调制解调器,尤其是符合.32、.33、.34建议的高速,都可用软件加以实现电话、电报n n脉冲编码调制PCM:抗干扰性强。但其对语音信号进行PCM编码,码率64kb/s。为了提高信道的利用率,必须压缩语音码率。n n语音压缩编码的方法很多,如自适应差分脉调制(ADPCM),32kb/s的数码率达到了长途电话的质量标准,且复杂程度较低,1988
16、年被CCITT(国际电报电话咨询委员会)建议为长途传输中的一种新型国际通用语音编码方法。扩频通信扩频通信n n与数据压缩相反。n n它的根据是仙农编码定理:在一定的条件下,只要码的长度充分大时,一定存在一种编码、译码方法,使错误译码率充分小。n n近年来,在国防上实现发射功率隐蔽与抗电子干扰,采用了扩频通信技术,用300千比特/秒的数码率传送64千比特/秒的语音,可以使敌方对此信号难以侦察或干扰。OFDM(正交频分复用正交频分复用)通信技术通信技术n nOFDMOFDM(orthogonal frequency division orthogonal frequency division mu
17、ltiplexingmultiplexing)正交频分复用作为一种多载波传)正交频分复用作为一种多载波传输技术,主要应用于数字视频广播系统、输技术,主要应用于数字视频广播系统、MMDSMMDS(multichannel multipoint distribution multichannel multipoint distribution serviceservice)多信道多点分布服务和)多信道多点分布服务和WLANWLAN服务以及服务以及下一代陆地移动通信系统。下一代陆地移动通信系统。OFDMOFDM将数据经编码后将数据经编码后调制为射频信号。不像常规的单载波技术,如调制为射频信号。不像常
18、规的单载波技术,如AM/FMAM/FM(调幅(调幅/调频)在某一时刻只用单一频率发调频)在某一时刻只用单一频率发送单一信号,送单一信号,OFDMOFDM在经过特别计算的正交频率上在经过特别计算的正交频率上同时发送多路高速信号。可选用基于同时发送多路高速信号。可选用基于IFFT/FFTIFFT/FFT的的OFDMOFDM实现方法实现方法.近年来,近年来,OFDMOFDM作为一种可以有效作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术将被更广泛对抗信号波形间干扰的高速传输技术将被更广泛应用于宽带移动通信领域。应用于宽带移动通信领域。生物医学信号处理n n生物医学信号处理CT/CATn nCT:计算
19、机X射线断层摄影装置。其中头颅CT英国EMI公司豪斯菲尔德获诺贝尔奖。n nCAT:计算机X射线空间重建装置。出现全身扫描,心脏活动立体图形,脑肿瘤异物,人体躯干图像重建。消费类电子产品的应用n n在消费类电子产品(在消费类电子产品(consumer electronics)consumer electronics)采采用技术已越来越多。用技术已越来越多。例如例如:(1)(1)唱机。在所有唱机和光盘驱唱机。在所有唱机和光盘驱动器中都采用做信号解调和误码校正动器中都采用做信号解调和误码校正,保保证证 声音(采用声音(采用1.41.4/回放)或优回放)或优质图像的回放质图像的回放.数字多用光盘(数
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