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數(shù)字信號處理（DigitalSignalProcessing：DSP）,張旭東清華大學(xué)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(jì)算機(jī)的誕生，為信號的數(shù)字處理提供了實(shí)現(xiàn)的可能.20世紀(jì)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(shí)驗(yàn)等,奠定了理論基礎(chǔ).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(shí)代)離散變換的進(jìn)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(shè)計(jì)技術(shù)：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(shè)計(jì),小波濾波統(tǒng)計(jì)和自適應(yīng)信號處理，陣列處理等,從統(tǒng)計(jì)學(xué)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(dòng),數(shù)字信號處理（DigitalSignalProcessing:DSP）教學(xué)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(shí)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(nèi)容的基本原理部分基本穩(wěn)定，原理部分以適當(dāng)?shù)乃俣扔兴潞蛿U(kuò)充，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大從研究生進(jìn)入本科生階段，重要的專業(yè)基礎(chǔ)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(yīng)啟珩等著，離散時(shí)間信號分析和處理，清華大學(xué)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(shí)現(xiàn)，清華大學(xué)出版社，20033.J.G.Proakis,D.G.Manolakis,DigitalSignalProcessing:Principles,Algorithms,andapplications,PH,1996,考試要求,平時(shí)作業(yè)：15％課程報(bào)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(shí)間信號處理,離散時(shí)間信號處理：不考慮樣本的量化效應(yīng)，不考慮系數(shù)與運(yùn)算過程的有限字長效應(yīng)的影響。用離散信號處理的概念，易于導(dǎo)出各種理論結(jié)果，有各種閉式的分析工具，具有指導(dǎo)性的分析和設(shè)計(jì)方法。當(dāng)考慮了量化效應(yīng)和有限字長的計(jì)算和存儲效應(yīng)后，就變成數(shù)字信號處理兩個(gè)課程名稱：數(shù)字信號處理/離散時(shí)間信號處理都是合適的，強(qiáng)調(diào)了該課程的兩個(gè)方面。從應(yīng)用方面看，除特殊場合下用聲表面波器件或開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)直接做離散信號處理外，絕大多數(shù)離散信號處理的實(shí)現(xiàn)是通過數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。,第1章：時(shí)域離散信號和系統(tǒng),1.1引言,一個(gè)處理連續(xù)時(shí)間信號的離散時(shí)間系統(tǒng),C/D:Continuous/DiscreteConverter,連續(xù)時(shí)間信號的數(shù)字處理系統(tǒng),,該框圖是一個(gè)完整的處理連續(xù)信號的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，實(shí)際系統(tǒng)可能是這個(gè)完整系統(tǒng)的一部分。,如果前端和（或）后端構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，這個(gè)子系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),第1個(gè)要注意的參數(shù)T,由連續(xù)信號獲得離散信號時(shí)，采樣周期T（或采樣頻率F）是必須有記錄的參數(shù)，由T結(jié)合DSP結(jié)果，一般才能給出正確的物理解釋例：,第1個(gè)要注意的參數(shù)T（續(xù)）,可以看到，兩個(gè)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(gè)要注意的參數(shù)T（續(xù)）,將會(huì)看到，用DSP進(jìn)行信號分析時(shí)，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(guān)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(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）,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(jìn)行比較準(zhǔn)確的精度控制多系統(tǒng)共享單處理器（分時(shí)處理）容易自適應(yīng)地、實(shí)時(shí)地控制和改變系統(tǒng)參數(shù)容易實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)很困難、甚至不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜運(yùn)算長時(shí)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(diǎn)（缺點(diǎn)）,系統(tǒng)可能更加復(fù)雜處理速度和頻率限制（例：音頻級、視頻級、雷達(dá)、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(shí)現(xiàn)，一般數(shù)字系統(tǒng)需要更多的功耗。（例如：數(shù)碼相機(jī)必須采用大容量或?qū)Ｓ贸潆婋姵兀┕δ芎唵蔚南到y(tǒng)，仍以模擬為主，復(fù)雜系統(tǒng)采用數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。例－－模擬：普通收音機(jī)，指針式萬用表。數(shù)字：手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)，MP3。電視：從模擬向數(shù)字邁進(jìn)。,發(fā)展與挑戰(zhàn),VLSI的發(fā)展，不斷突破人們原有的預(yù)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(shí)10MPIS，到今天單片超過1GPIS，單片運(yùn)算速度增加1000倍以上，每MPIS功耗和價(jià)格大大下降。A/D轉(zhuǎn)換器已有突破20GHz的單片轉(zhuǎn)換器。模擬與數(shù)字系統(tǒng)是構(gòu)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(dá)等技術(shù)進(jìn)展，越來越多功能采用DSP實(shí)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(shí)現(xiàn)。,關(guān)于DSP,DSP：DigitalSignalProcessingDSP:DigitalSignalProcessorDSPs:DigitalSignalProcessingSolution,課程內(nèi)容介紹,信號的表示：各種離散變換、快速算法、譜分析應(yīng)用離散系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)：主要是數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)、分析、設(shè)計(jì)。有限字長效應(yīng)：影響與對策,信號的表示：時(shí)域表示復(fù)頻域表示；頻域表示時(shí)－頻表示表示之間的等價(jià)與反映不同特征,1.2時(shí)域離散信號－序列,1.2時(shí)域離散信號－序列,序列表示1－圖形表示,復(fù)習(xí)：Oppen:Chp.2-Chp.3應(yīng)：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(shí)域離散信號－序列（續(xù)）,序列表示2－數(shù)學(xué)表達(dá)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(dá),,2.單位階躍,,矩形序列,,實(shí)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(luò)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(fù)指數(shù)）頻率數(shù)目只有N個(gè)。（Why？）,序列的運(yùn)算,前向差分后向差分高階差分例,序列的運(yùn)算（續(xù)）,序列移位序列轉(zhuǎn)置,序列的運(yùn)算（續(xù)）,序列的卷積和,序列的運(yùn)算（續(xù)）,卷積和：有限長序列,序列的運(yùn)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,