数字信号处理Digital Signal Processing

广东海洋大学信息学院

学时： 54 学时（实验 10 学时）

学分： 3 学分

主讲教师：张培珍Email:zpzhen@sohu.com

数字信号处理

Digital Media Processing

Webpad

Telematics

Wireless Devices:802.11, Bluetooth,

Others

Enhanced Gaming

Military and Government Cellular, Secure Connectivity

Industry-Specific PDAs

Biometrics

Medical Devices

数字信号处理

教科书

数字信号处理北京大学出版社

王震宇，张培珍等编著

数字信号处理

本课程网站http://www1.gdou.edu.cn/xxxy/szxhcljpkc/index.html广东海洋大学信息学院精品课程

主要内容与学时数字信号处理

第一章 绪论 2 学时第二章 离散时间系统 4 学时第三章 z 变换及离散频域分析 4 学时第四章 DFT 及 FFT 6 学时第五章 模拟滤波器设计 4 学时第六章 IIR DF 的设计 6 学时第七章 FIR DF 的设计 8 学时第八章 数字滤波系统的网络结构 6 学时第九章 数字信号处理中的有限字长效应 2 学时

第十章 数字信号处理的应用 1 学时总结 1 学时

实验10学时

全书内容分布结构

先修课程1 、数学工具微积分，概率统计，随机过程，高等数学，数值分析，积分变换，复变函数等。 2 、信号与系统3 、 Matlab 语言4 、数字信号处理的理论基础：离散线性变换系统理论，离散傅里叶变换。

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参考书一、经典的：1. A.V.Oppenheim “， Digital

Signal Processing” ， 1975. 中译本有多种

离散时间信号处理 [ 美 ]A.V 奥本海姆 R.W. 谢弗编 科学出版社

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参考书：2 、数字信号处理 吴镇扬等 高等教育出

版社 20043 、基于 Matlab 的系统分析与设计 -- 信号

处理 楼顺天，李博菡 编著。西安电子科大出版社 2004

4 、《 MATLAB 在数字信号处理中的应用》薛年喜，清华大学出版社 ， 2003

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参考网站http://www.cw.njupt.edu.cn/dsp/

南京邮电大学http://jwc.seu.edu.cn/zq/signal/

东南大学

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考试1. 理论课考核方式：闭卷考试，百分制，占总成绩 70% 。2. 实验课考试方式：上机操作 + 实验报告（分优、良、中、及格、不及格 5 个等级），和平时考勤、作业一并计入平时成绩，占总成绩 30% 。

绪 论1 信号、系统和信号处理 (A)

2   数字信号处理2.3 数字信号处理的特点 (B)2.3 数字信号处理的特点 (B)

2.4 数字信号处理的实现（ B ）2.4 数字信号处理的实现（ B ）

2.5 数字信号处理的产生发展、应用 (C)2.5 数字信号处理的产生发展、应用 (C)

数字信号处理

2.2 数字信号处理系统基本组成（ A ）2.2 数字信号处理系统基本组成（ A ）

2.1 数字信号处理的定义 (A)2.1 数字信号处理的定义 (A)

前言过去，信号处理一直采用模拟设备来 完成。近代，数字计算机的出现和大规模集成技术的高速发展，为信号处理提供了强有力的手段。在电子技术各个领域，例如雷达、声纳、语言通信、数字通讯等，正日益广泛的用数字方法替代模拟方法实现信号处理。因此 , 从本世纪 60年代以来，逐步形成了一门新的学科——数字信号处理。

1 、 信号、系统和信号处理1.1 信号定义：信号是一个或多个独立变量的函数 ，该函

数含有物理系统的信息或表示物理系统状态或行为。

(e.g.: i(t) ， v(t) ， g(x ， y)).

独立变量 : 时间、距离、速度、位置、温度和压力等

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振动弦 ( 声源 ) 声级计 记录仪

0

A

t信号波形图：用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。

信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波形的概念。

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1.2 信号的描述方法信号是无处不在的。在众多的描述方法中，有两个最基本的物理量，即时间和频率。显然，时间和频率与我们的日常生活关系最为密切，我们时时可以感受到它们的存在。时间自不必说，对频率，如夕阳西下时多变的彩霞，音乐会上那优美动听的旋律以及在一片寂静中突然冒出的一声刺耳的尖叫等，这些都包含了丰富的频率内容。正因为如此，时间和频率也成了描述信号行为的两个最重要的物理量。

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例例

-0.5

0

0.5

1

Re

al p

art

Signal in time

0182365

Linear scale

Ene

rgy

sp

ectr

al d

ensity

20 40 60 80 100 1200

0.1

0.2

0.3

0.4

WV, lin. scale, contour, Threshold=5%

Time [s]

Fre

que

ncy

[Hz]

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1.3 信号分类1 ）按独立变量个数可分： 1-dimensional (1-D) ：单

个独立变量的一维函数 ，e.g轨迹跟踪；

2-D ：两个独立变量的二维函数 ， e.g. 图象信号。

M-D ：多个独立变量的多维函数 ， e.g. 彩色视频信号 (RGB) 。

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2 ）按载体： 电信号、磁信号、声信号、光信号、热信号、

机械信号。

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简单的测试系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被温度变化转化液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度底，无法实现测量自动化。

为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。如图所示的声级计。

例：用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构

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3 ）按周期性： 周期信号 x(t)=x(t+kT); 非周期信号。

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简单周期信号

复杂周期信号

准周期信

号

瞬态信号

4 ）按是否为确定函数 :分为确定信号；随机信号。

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噪声信号 ( 平稳 )

复杂周期信号

5 ）按能量或功率是否有限： 能量信号（能量有限）；功率信号（功率有限）。

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瞬态信号

复杂周期信号

噪声信号 ( 平稳 )

一般持续时间无限的信号都属于功率信号。

一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。

6）按独立变量定义域和信号值域分连续时间信号 CTS （ Continuous-Time Signals ）模拟信号 AS （ Analog Signals ）离散时间信号DTS （ Discrete-Time Signals ）数字信号DS （ Digital Signals ）

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7 ） 物理可实现信号与物理不可实现信号a) 物理可实现信号：又称为单边信号，满足条件： t ＜0 时， x(t) = 0 ，即在时刻小于零的一侧全为零。

b) 物理不可实现信号：在事件发生前 (t<0)就预知信号。

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1.3 信号处理系统1 、定义：系统是将信号进行处理（或变换）以达到人们要求的各种设备。系统可以是硬件的，也可以是软件编程实现的。2 、系统的分类（按所处理的信号种类不同分类）- 连续时间信号系统- 模拟信号系统- 离散时间信号系统- 数字信号系统

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2 、数字信号处理数字信号处理

2.1 定义： 数字信号处理是用数字或符号的序列来表示信号，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，对信号及所含信息进行表示、变换并用数字的数值计算方法处理 ，以提取有用信息。

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。

●  信号表示：时域和频域表示； ●  信号变换：离散时间 Fourier 变换

（ DTFT ）、离散 Fourier 变换 DFT ）和 z变换， 以及变换的快速算法（ FFT ）。

●   信号处理：滤波、压缩、调制及解调和信号分析。

●   信号运算：延迟、加、减、乘和卷积等。

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数字信号处理理论基础的核心C.E.Shannon 的抽样定理（ "A mathematical Theory of Communication", Shannon1948 ）被工程师们公认为影响这个世界的最重要的公式之一（根据一项非正式的调查显示，抽样定理列于该调查所排列的 10 个最重要公式中。注意，第一位是牛顿第二定律，第二位是万有引力定律，第五位是Maxwell 方程组，抽样定理列第八，这足以说明它的重要性。）

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2.2 数字信号处理系统的基本组成

前置预滤波器：滤除高于某一频率（抽样频率的一半 ) 的信号，防混迭。

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A/D 变换器：完成抽样和量化和编码，实现数字化。如图

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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).

y(n)

0 1 2 3 4n

)()( nynx

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D/A 变换器：

经过 D/A 变换器，将数字信号序列反过来变换成模拟信号，这些信号在时间点0 ， T ， 2T…nT ，…上的幅度应等于序列y(n) 中相应数码所代表的数值大小。 即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。

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模拟滤波器（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 y(t).

)t(y

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X(t)

Y(t)

C

R

模拟高通滤波器

延时

a

数字高通滤波器

例：最简单的模拟和数字滤波器

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2.3 数字信号处理的特点1 ） 精度高模拟系统：由元器件确定（很难达到 10-3 ）；数字系统：由字长确定， 17位字长就可达 10-5 精度 。2 ） 灵活性强数字系统的性能主要由乘法器的系数决定。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。 3 ） 可靠性高只有“ 0”和“ 1”两个电平，受温度噪声影响小。

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4 ） 容易集成 ,规范性高，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。

5 ） 实现多维信号处理：利用 DSP同时处理几个通道的信号。 存储单元庞大，可以存储二维的图像信号和多维

的阵列，实现二维或多维滤波及谱分析等。6） 可获得高性能指标或特性

数字信号处理可以完成许多模拟信号处理所达不到的功能，如线性相位响应。还有一些模拟信号不能处理的问题如无损压缩、纠错编码等。

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7 ）局限性a ）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 )

b ）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。c ）系统功率消耗比较大

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2.4 信号处理的实现方法：1 ）软件实现方法2 ）硬件实现方法：3 ）采用专用的数字信号处理芯片DSP ：

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。是目前发展最快、应用最广的一种方法。它即有硬件实现法实时的优点，又具有软件实现的灵活性优点。

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2.5 数字处理的产生、发展、应用2.5.1 产生： 奠定这一理论基础的是 1948年美国著名信息论专家香农的一篇论文“通讯的数学理论”，他第一次提出数字化信息的基本单位：比特（尼葛洛庞帝把比特比喻作信息领域的 DNA ）；并由此出发提出了一系列近代信息论基本思想。

　　由于受硬件条件的限制，信号的数字化处理真正开始于六十年代初。 1965 年 J.W.cooley和 J.W.Tukey 提出了快速傅里叶变换算法，为数字信号处理开端的里程碑。

　　

2.5.2 数字信号处理的发展

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　 1946 年当冯 ·诺伊曼等计算机专家研制成功第一台电子计算机 ENIAC 时，其总重量为 30吨，占地面积相当于一个小的体育馆，平均每 7 分钟就有一个电子管失效。它的耗电量惊人，在它工作时，整个费城就灯光暗淡。 1971 年英特尔公司推出了第一个微处理芯片 4001 ，其功能大体上和世界上第一台电子计算机 ENIAC相当。此后，微处理芯片的发展就异常迅速，它基本上遵从所谓的摩尔定律，这就是微处理芯片每隔 18 个月性能提高一倍、价格降低到原来的 1/2 。 而 1977 年生产的微处理器体积仅是 ENIAC 的 1/30000 ，成本是它的 1/10000 ，速度是它的 20倍。

　　英国科学家福莱斯特，在总结了微电子技术的这种惊人发展速度之后，在他所著的“高技术社会”中发出了感叹，他说，“如果汽车或飞机行业也象计算机行业这样发展，那么今天一辆罗尔斯·罗伊斯汽车的成本将只有 2.75 美元；跑 300万英里仅用一加仑汽油。而一架波音 767飞机的价格只需 500 美元，用 5加仑汽油在 20 分钟内便可环绕地球一周。”

　　 1996年美国 Princeton 大学电子工程系主任刘必治教授来华发表演讲时，作了类似的对比，他说，如果汽车行业也象微电子行业那样，那么今天一辆小轿车的价格应当是 0.26美元。

　　

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2.5.3 趋势(1)由简单的运算走向复杂的运算，目前几十位乘几十位的全并行乘法器可以在数个纳秒的时间内完成一次浮点乘法运算，这无论在运算速度上和运算精度上均为复杂的数字信号处理算法提供了先决条件；(2)由低频走向高频，模数转换器的采样频率已高达数百兆赫，可以将视频甚至更高频率的信号数字化后送入计算机处理；(3)由一维走向多维，像高分辨率彩色电视、雷达、石油勘探等多维信号处理的应用领域已与数字信号处理结下了不解之缘。(4) 各种数字信号处理系统均几经更新换代

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年代 特点 $/MIPS60 年代 大学探索 $100-$1,00070 年代 军事运用 $10-$10080 年代 商用成功 $1-$1090 年代 进入消费类电子 $0.1-$1今后 生活用品 $0.01-$0.1

2.5.4 发展特点

2.5.3 数字信号处理的典型应用1 ）经典信号处理：数字滤波、自适应滤波、快速付里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。 2 ）现代信号处理： AR 、 ARMA 、卡尔曼滤波、小波变换等。 3 ）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。 4 ）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。

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5 ）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。

6 ）仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。

7 ）自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。

8 ）医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。

9)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。

10) 通信：电报、电话，回声抵消装置，扩频通信， OFDM( 正交频分复用 ) 通信技术

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每章一话数字信号处理技术是一门理论和实践相比较强的课程，是协同智能发展的学科。

每日识多一点即是智， 人之所以能是相信能。

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第一次作业题： 1. 根据你身边的数字信号处理应用的例

子。写一篇综述文章，主要方面为 DSP 的技术、发展趋势、或在某一方面的研究，或是了解某一领域用 DSP 的的前景等。

2. 要求按论文写作要求。有题目、作者、摘要、关键字、参考文献及外文摘要。 上交时间为第三周本次课 。

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语音压缩在ＧＳＭ手机中用ＤＳＰ可将语音压缩至 13 ｋ bsp ，在 Inmarsat Ｍ卫星电话中用ＤＳＰ将语音压缩至 4.3 ｋ bps 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ＤＳＰ。

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图像处理数字信号处理技术应用于图像处理有： （ 1 ）数据压缩 : 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（或声音）信息。 （ 2 ）图像复原 （ 3 ）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。

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会议电视和可视电话采用ＤＳＰ完成视频图像信号的压缩，制成可通过公用电话交换网 (ＰＳＴＮ )传输的会议电视或可视电话。

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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。

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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。 ( 占 60% ） DSP 主要应用于通信的热门产品中。如：蜂窝电话（ Cellular phone) 、 ADSL 调制解调器、线缆调制解调器 (Cable modem) 、蓝牙技术 (bluetooth) 产品，数字电话应答机（ digital telephone answering device) 、全球定位系统（ global positioning system ， GPS ），卫星电话 (satellite phone) 、电话会议 (conference speaker phone) 、电视电话会议编译码器 (video conferencing code ) 、 IP 电话 (voice over IP) 、 IP 传真 (fax over IP) 、 ATM 电话 (voice over ATM) 、智能天线 (smart antenna) 、 PCS 用户端 (subscriber set) 。

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回声抵消装置利用通信卫星打越洋长途电话时，因静止卫星离地球表面 36000ｋｍ，通信延时为 0.24 ｓ，就会在话机中听到自己的讲话，影响正常通话，现在采用了ＤＳＰ做的回声抵消器，可把回声抑制掉。

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调制解调器调制解调器 ( Ｍｏｄｅｍ ) 。为在电话线上传输计算机数据，采用ＤＳＰ可做成符合ＩＴＵ规定的各种调制解调器，尤其是符合Ｖ .32 、Ｖ .33 、Ｖ .34 建议的高速Ｍｏｄｅｍ，都可用ＤＳＰ软件加以实现

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电话、电报脉冲编码调制 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。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。

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扩频通信与数据压缩相反。 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。 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。

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OFDM( 正交频分复用 ) 通信技术

OFDM （ orthogonal frequency division multiplexing ）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、 MMDS （ multichannel multipoint distribution service ）多信道多点分布服务和 WLAN服务以及下一代陆地移动通信系统。 OFDM 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AM/FM （调幅 /调频）在某一时刻只用单一频率发送单一信号， OFDM 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 IFFT/FFT 的 OFDM 实现方法 .近年来， OFDM 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应用于宽带移动通信领域。

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生物医学信号处理生物医学信号处理 CT / CAT CT ：计算机 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。 CAT: 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。

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消费类电子产品的应用在消费类电子产品（ consumer electronics) 采用ＤＳＰ技术已越来越多。 例如 :

(1)ＣＤ唱机。在所有ＣＤ唱机和ＶＣＤ光盘驱动器中都采用ＤＳＰ做信号解调和误码校正，保证Ｈｉ Ｆｉ声音（采用 1.4 Ｍｂ /ｓ回放）或优质图像的回放 . 数字多用光盘（ DVD digital versatile disk ) 、数字电视 / 高清晰电视 (digital TV/HDTV) 、数字助听器 (digital hearing aid) ，数字相机芯片 (digital camera chip) 、 MPEG(Moving Picture Experts Group) 编解码芯片 (encoder chip) 、 MPEG 译码器芯片 (decoder chip) 、 MP3播放机芯片(player chip) 、机顶盒 (set top box) 。(2) 组合音响。高级的组合音响现都用ＤＳＰ完成围绕声、各种环境声场的模拟、混响、均衡等。

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