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數(shù)字信號處理（DigitalSignalProcessing：DSP）,張旭東清華大學電子工程系,,什么是信號處理,信號處理的目的總是從我們測量到的信號記錄中提取出對我們有用的信息,模擬信號處理,數(shù)字信號處理,數(shù)字信號處理的發(fā)展,計算機的誕生，為信號的數(shù)字處理提供了實現(xiàn)的可能.20世紀初至50年代有許多前期的研究工作,從采樣定理的建立到聲碼器的數(shù)字仿真實驗等,奠定了理論基礎.1965年FFT的提出，是DSP發(fā)展的里程碑(但其源頭可追溯到高斯時代)離散變換的進展：65年FFT，70年代余弦變換，80年代中后期小波變換濾波器設計技術：IIR、FIR數(shù)字濾波器，多采樣處理和濾波器組理論，專用濾波器設計,小波濾波統(tǒng)計和自適應信號處理，陣列處理等,從統(tǒng)計學引入信號處理發(fā)展的另一條主線--現(xiàn)代信號處理器件和系統(tǒng)的發(fā)展對數(shù)字信號處理有積極推動,數(shù)字信號處理（DigitalSignalProcessing:DSP）教學的演變,1969年Rader和Gold第一本DSP書1975年Oppenheim&Schafer第一本有廣泛影響的教科書，主要面向研究生1989年Oppenheim&Schafer的《離散時間信號處理》（DiscreteTimeSignalProcessing）出版，1999年修訂版我國也出版了大量DSP教材內容的基本原理部分基本穩(wěn)定，原理部分以適當?shù)乃俣扔兴潞蛿U充，應用領域不斷擴大從研究生進入本科生階段，重要的專業(yè)基礎課,教材和參考書,教材：A.V.Oppenheim，R.W.Schafer,Discrete-TimeSignalProcessing,Prentice-Hill,1999,SecondEdition(清華出版社影印)應啟珩等著，離散時間信號分析和處理，清華大學出版社，2001版參考書1.S.K.Mitra,DigitalSignalProcessing:AComputer-BasedApproach,SecondEdition,Mcgraw-Hill,20012.胡廣書，數(shù)字信號處理：理論、算法與實現(xiàn)，清華大學出版社，20033.J.G.Proakis,D.G.Manolakis,DigitalSignalProcessing:Principles,Algorithms,andapplications,PH,1996,考試要求,平時作業(yè)：15％課程報告：15％期末考試：70％期末考試為開卷考試,課程名稱：數(shù)字信號處理（OR）離散時間信號處理,離散時間信號處理：不考慮樣本的量化效應，不考慮系數(shù)與運算過程的有限字長效應的影響。用離散信號處理的概念，易于導出各種理論結果，有各種閉式的分析工具，具有指導性的分析和設計方法。當考慮了量化效應和有限字長的計算和存儲效應后，就變成數(shù)字信號處理兩個課程名稱：數(shù)字信號處理/離散時間信號處理都是合適的，強調了該課程的兩個方面。從應用方面看，除特殊場合下用聲表面波器件或開關電容網(wǎng)絡直接做離散信號處理外，絕大多數(shù)離散信號處理的實現(xiàn)是通過數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)的。,第1章：時域離散信號和系統(tǒng),1.1引言,一個處理連續(xù)時間信號的離散時間系統(tǒng),C/D:Continuous/DiscreteConverter,連續(xù)時間信號的數(shù)字處理系統(tǒng),,該框圖是一個完整的處理連續(xù)信號的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，實際系統(tǒng)可能是這個完整系統(tǒng)的一部分。,如果前端和（或）后端構成一個獨立子系統(tǒng)，這個子系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),第1個要注意的參數(shù)T,由連續(xù)信號獲得離散信號時，采樣周期T（或采樣頻率F）是必須有記錄的參數(shù)，由T結合DSP結果，一般才能給出正確的物理解釋例：,第1個要注意的參數(shù)T（續(xù)）,可以看到，兩個頻率相差很大的連續(xù)信號，用不同頻率采樣后，得到完全相同的離散信號。,第1個要注意的參數(shù)T（續(xù)）,將會看到，用DSP進行信號分析時，其頻率是歸一化的，要得到對連續(xù)信號的正確物理解釋，需要參數(shù)T。分析例子可以看到，連續(xù)角頻率和離散角頻率的關系,連續(xù)信號的離散處理過程，均將有限頻率范圍映射到歸一化的頻率范圍，映射尺度就是采樣參數(shù)（T或F）,數(shù)字信號處理的優(yōu)缺點（優(yōu)點）,不敏感于元器件的外部容限參數(shù)，例如溫度、老化等容易進行比較準確的精度控制多系統(tǒng)共享單處理器（分時處理）容易自適應地、實時地控制和改變系統(tǒng)參數(shù)容易實現(xiàn)模擬系統(tǒng)很困難、甚至不能實現(xiàn)的復雜運算長時間、大容量、無損地保留信息數(shù)字系統(tǒng)比較容易處理甚低頻信號，例如地球物理信號，模擬系統(tǒng)需要大尺寸的電感和電容,數(shù)字信號處理的優(yōu)缺點（缺點）,系統(tǒng)可能更加復雜處理速度和頻率限制（例：音頻級、視頻級、雷達、聲納等，超高速）數(shù)字信號處理系統(tǒng)一般采用有源器件，模擬系統(tǒng)可能采用無源器件實現(xiàn)，一般數(shù)字系統(tǒng)需要更多的功耗。（例如：數(shù)碼相機必須采用大容量或專用充電電池）功能簡單的系統(tǒng)，仍以模擬為主，復雜系統(tǒng)采用數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)。例－－模擬：普通收音機，指針式萬用表。數(shù)字：手機、數(shù)碼相機，MP3。電視：從模擬向數(shù)字邁進。,發(fā)展與挑戰(zhàn),VLSI的發(fā)展，不斷突破人們原有的預測，速度更快、功耗更低的數(shù)字集成電路使數(shù)字處理更加便捷。對于數(shù)字信號處理，專用DSP處理器，已成為最重要的嵌入式系統(tǒng)的處理核心。從1982年DSP處理器問世時10MPIS，到今天單片超過1GPIS，單片運算速度增加1000倍以上，每MPIS功耗和價格大大下降。A/D轉換器已有突破20GHz的單片轉換器。模擬與數(shù)字系統(tǒng)是構成完整信息處理系統(tǒng)均不可缺少的單元，趨勢是：核心處理部分采用數(shù)字處理，外圍接口仍采用模擬系統(tǒng)隨著軟件無線電、軟件雷達等技術進展，越來越多功能采用DSP實現(xiàn)，但仍不可能完全拋棄模擬系統(tǒng)，有些專用功能還是僅用模擬系統(tǒng)實現(xiàn)。,關于DSP,DSP：DigitalSignalProcessingDSP:DigitalSignalProcessorDSPs:DigitalSignalProcessingSolution,課程內容介紹,信號的表示：各種離散變換、快速算法、譜分析應用離散系統(tǒng)分析和設計：主要是數(shù)字濾波器結構、分析、設計。有限字長效應：影響與對策,信號的表示：時域表示復頻域表示；頻域表示時－頻表示表示之間的等價與反映不同特征,1.2時域離散信號－序列,1.2時域離散信號－序列,序列表示1－圖形表示,復習：Oppen:Chp.2-Chp.3應：1.1-1.31.4.1-1.4.2,注意，對于離散信號，非整數(shù)序號是沒有定義的。,1.2時域離散信號－序列（續(xù)）,序列表示2－數(shù)學表達式序列表示3－數(shù)據(jù)集合（例：采樣序列）,幾種常用序列,,1.單位抽樣信號,（Kronecker函數(shù)）,？,,如何表達,,2.單位階躍,,矩形序列,,實指數(shù)序列單邊雙邊周期序列,,正弦型序列,離散信號的頻率與周期,頻率主值,離散信號的頻率與周期（續(xù)）,高頻與低頻,,,離散信號的頻率與周期（續(xù)）,正弦信號的周期,離散信號的頻率與周期（續(xù)）,,離散信號的頻率與周期（續(xù)）,例子：,,但角頻率越大，包絡變化越快是仍成立的。,離散信號的頻率與周期（續(xù)）,以N周期的、可區(qū)分的正弦（余弦、復指數(shù)）頻率數(shù)目只有N個。（Why？）,序列的運算,前向差分后向差分高階差分例,序列的運算（續(xù)）,序列移位序列轉置,序列的運算（續(xù)）,序列的卷積和,序列的運算（續(xù)）,卷積和：有限長序列,序列的運算（續(xù)）,用沖激和卷積表示序列,這也是諸多信號分解中的一種，將信號分解成基本“粒子”之和,