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數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用概論.ppt

上傳人:max****ui 文檔編號(hào):15167107 上傳時(shí)間:2020-08-04 格式:PPT 頁(yè)數(shù):18 大?。?.37MB
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1、數(shù)字信號(hào)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(hào)處理概論,1.1 數(shù)字信號(hào)處理概論 1.2 信號(hào)、系統(tǒng)和信號(hào)處理 1.3 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本組成 1.4 數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科概貌 1.5 數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn) 1.6 數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用概論,1.1 數(shù)字信號(hào)處理概論,數(shù)字信號(hào)處理(DSP,digital signal processing)是從20世紀(jì)6O年代以來(lái),隨著信息學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科。它的重要性日益在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出來(lái)。 簡(jiǎn)言之,數(shù)字信號(hào)處理是

2、把信號(hào)用數(shù)字或符號(hào)表示的序列,通過(guò)計(jì)算機(jī)或通用(專用)信號(hào)處理設(shè)備,用數(shù)字的數(shù)值計(jì)算方法處理(例如濾波、變換、壓縮、增強(qiáng)、估計(jì)、識(shí)別等),以達(dá)到提取有用信息便于應(yīng)用的目的。,1.2 信號(hào)、系統(tǒng)和信號(hào)處理,1)信號(hào) : 信號(hào)是信息的物理表現(xiàn)形式,或說(shuō)是傳遞信息的函數(shù),而信息則是信號(hào)的具體內(nèi)容。例如,交通紅綠燈是信號(hào),它傳遞的信息是:紅停止,綠通行。根據(jù)載體的不同,信號(hào)可以是電的、磁的、聲的、光的、機(jī)械的、熱的等各種信號(hào)。,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,2)一維信號(hào)、二維信號(hào)、矢量信號(hào): 信號(hào)的變量可以是時(shí)間,也可以是頻率、空間或其他的物理量。 若信號(hào)是一個(gè)變量(例如時(shí)間)的函數(shù)

3、,則稱為一維信號(hào); 如圖1.“away”語(yǔ)音;2.“ooo”語(yǔ)音;3.虎鯨 4.256hz聲音;5.腦電圖;6.風(fēng)。,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,若信號(hào)是兩個(gè)變量(例如空間坐標(biāo)x,y)的函數(shù),則稱為二維信號(hào); 若信號(hào)是多個(gè)(例如M個(gè),M2)變量的函數(shù),則稱為多維(M維)信號(hào)。,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,(2)周期信號(hào)和非周期信號(hào):若信號(hào)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(hào),周期分別為T和N;否則就是非周期信號(hào)。,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,(3)確定

4、信號(hào)和隨機(jī)信號(hào):若信號(hào)在任意時(shí)刻的取值能精確確定,則稱它為確定信號(hào);若信號(hào)在任意時(shí)刻的取值不能精確確定,或說(shuō)取值是隨機(jī)的,則稱為隨機(jī)信號(hào)。,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,(5)連續(xù)時(shí)間信號(hào)、離散時(shí)間信號(hào)和數(shù)字信號(hào): 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(shí)間)是連續(xù)的,則稱為連續(xù)時(shí)間信號(hào);若變量是離散數(shù)值,則稱為離散時(shí)間信號(hào)。信號(hào)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(lái)應(yīng)該有以下四種情況: 連續(xù)時(shí)間信號(hào):時(shí)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(hào):時(shí)間是連續(xù)的,幅值是連續(xù)的,這是上一種信號(hào)的特例。 離散時(shí)

5、間信號(hào)(或稱序列):時(shí)間是離散的,幅值是連續(xù)的。 數(shù)字信號(hào):時(shí)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(hào)可用一序列的數(shù)來(lái)表示,而每個(gè)數(shù)又可表示為二進(jìn)制碼的形式。,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,3信號(hào)處理 信號(hào)處理是研究用系統(tǒng)對(duì)含有信息的信號(hào)進(jìn)行處理(變換),以獲得人們所希望的信號(hào),從而達(dá)到提取信息、便于利用的一門學(xué)科。信號(hào)處理的內(nèi)容包括濾波、變換、檢測(cè)、譜分析、估計(jì)、壓縮、識(shí)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(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展,加之從60年代未以來(lái)數(shù)字信號(hào)處理理論和技術(shù)的成熟和完善,用數(shù)字方法來(lái)處理信號(hào),即數(shù)字信號(hào)處理,己逐漸取代模擬信號(hào)處理。,數(shù)字信

6、號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,三、數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)科概貌 自從1965年庫(kù)利(Cooley)和圖基(Tukey)在計(jì)算數(shù)學(xué)(Mathematics of Computation上發(fā)表了“用機(jī)器計(jì)算復(fù)序列傅里葉級(jí)數(shù)的一種算法”即“快速傅里葉變換算法” 以來(lái),數(shù)字信號(hào)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(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科包含有: (1)離散時(shí)間線性時(shí)不變系統(tǒng)分析。 (2)離散時(shí)間信號(hào)時(shí)域及頻域分析、離散傅里葉變換(DFT)理論。 (3)信號(hào)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)

7、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(hào)處理。 (7)估計(jì)理論,包括功率譜估計(jì)及相關(guān)函數(shù)估計(jì)等。 (8)信號(hào)的壓縮,包括語(yǔ)音信號(hào)與圖信號(hào)的壓縮。 (9)信號(hào)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(hào)重建等)。 (11)數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)。 (12)數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用。,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,四、數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn) 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)具有以下一些明顯的優(yōu)點(diǎn): (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(dá)到10-3以

8、上,而數(shù)字系統(tǒng)只要14位字長(zhǎng)就可達(dá)到10-4 的精度。在高精度系統(tǒng)中,有時(shí)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(chǔ)器中的,因而只需改變存儲(chǔ)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(qiáng):因?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)只有兩個(gè)信號(hào)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

9、常大,性能也不能達(dá)到要求,,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,(5)時(shí)分復(fù)用:時(shí)分復(fù)用就是利用數(shù)字信號(hào)處理器同時(shí)處理幾個(gè)通道的信號(hào),其系統(tǒng)的方框圖見(jiàn)圖皿。由于某一路信號(hào)的相鄰兩抽樣值之間存在著很大的空隙時(shí)間,因而可在同步器的控制下,在此時(shí)間空隙中送人其他路的信號(hào),而各路信號(hào)則利用同一個(gè)信號(hào)處理器,后者在同步器的控制下,算完一路信號(hào)后再算另一路信號(hào)。處理器的運(yùn)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(duì)信號(hào)進(jìn)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

10、長(zhǎng)沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的線性相位特性,這在模擬系統(tǒng)中是很難達(dá)到的。 (7)維與多維處理:利用龐大的存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)一幀或數(shù)幀圖像信號(hào),實(shí)現(xiàn)二維甚至多維信號(hào)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(hào)處理的突出優(yōu)點(diǎn),使得它在通信、語(yǔ)音、雷達(dá)、地震測(cè)報(bào)、聲吶、遙感、生物醫(yī)學(xué)、電視、儀器中得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,五、數(shù)字信號(hào)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)

11、制、增量調(diào)制、自適應(yīng)均衡、糾錯(cuò)、數(shù)字公用交換、信道復(fù)用、移動(dòng)電話、調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)或數(shù)字信號(hào)的加密、破譯密碼、擴(kuò)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(duì)消、IP電話、軟件無(wú)線電等。 (3)語(yǔ)音、語(yǔ)言:包括語(yǔ)音郵件、語(yǔ)音聲碼器、語(yǔ)音壓縮、數(shù)字錄音系統(tǒng)、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音增強(qiáng)、文本語(yǔ)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(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像重建、圖像變換、圖像分割與描繪、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、固態(tài)處理、電子地圖、電子出版、動(dòng)畫等。,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,(5)消費(fèi)電子:包括數(shù)字音頻、數(shù)字電視、音樂(lè)綜合器、

12、電子玩具和游戲、CDVCDDVD播放機(jī)、數(shù)字留言應(yīng)答機(jī)、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(hào)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(dòng)化,包括機(jī)器人控制、激光打印機(jī)控制、伺服控制。自動(dòng)機(jī)、電力線監(jiān)示器、計(jì)算機(jī)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(tīng)器等。 (9)軍事:包括雷達(dá)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(cè)試、自適應(yīng)波束形成、陣列天線信號(hào)處理等。,16數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法,(1)在通用的微型計(jì)算機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件

13、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(diǎn)是速度太慢,不能用于實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)所有數(shù)字信號(hào)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(yǔ)言,再通過(guò)DSP的C編譯器直接在DSP硬件上運(yùn)行。這對(duì)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很有吸引力的。 (2)用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),單片機(jī)一直在不斷地發(fā)展,如Iniei 96000的運(yùn)算速度就非??捎^,而且單片機(jī)的接口性能比較好,容易實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。但由于單片機(jī)采用的是馮諾依曼總線結(jié)構(gòu),所以單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜,尤其是乘法運(yùn)算速度慢,在運(yùn)算量大的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中很難有所作為。 (3)利用專門用于

14、信號(hào)處理的可編程DSP芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)相比,DSP有著更適合于數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)。如采用改進(jìn)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(jì)的適于數(shù)字信號(hào)處理的指令系統(tǒng)等。DSP芯片的這些特點(diǎn)對(duì)不允許延遲的實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域,如蜂窩電話、計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)器等非常理想。閨此,可以說(shuō),DSP芯片的問(wèn)世及飛速發(fā)展,為信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)際提供了可能。,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,(4)利用特殊用途的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在國(guó)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(shí)現(xiàn)FIR濾波器和相關(guān)運(yùn)算。美國(guó)INMOS公司推

15、出的IMSAI00芯片,可以完成FIR、FFT、相關(guān)、卷積等運(yùn)算,可以在2ms內(nèi)完成1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算。 (5)用FPGA等可編程陣列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)ASIC芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上加速卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。加速卡可以是通用的加速處理機(jī),也可以是由DSP開(kāi)發(fā)的用戶加速卡,如果是DSP開(kāi)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(jià)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(jì)算機(jī)僅充當(dāng)沒(méi)有實(shí)時(shí)要求方法管理者的角色,而不再參與實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理。,數(shù)字信號(hào)處理(DSP)及應(yīng)用----概論,

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