数字信号处理DigitalSignalProcessingDSP.ppt

,数字信号处理Digital Signal Processing(DSP),自我介绍,杨述斌电气信息学院办公室：教31119电话：87194833Email：,数字信号处理DSP,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,1.信号：信号是信息的载体，可分为模拟信号和数字信号。信号传递信息的函数也是独立变量的函数，这个变量可以是时间、空间位置等。2.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。3.模拟信号是连续信号的特例。时间和幅度均连续。4.离散信号：时间上不连续，幅度连续。5.数字信号：幅度量化，时间和幅度均不连续。,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。,图1-1 模拟信号与数字信号的关系,信号的最基本的参数,频率和幅度3-30kHz:Very low frequency VLF(潜水艇导航)甚低频30-300kHz:Low frequency LF(潜水艇通信)低频3003000kHz:Medium frequency(调幅广播)中频3-30MHz:High frequency(HF)(无线电爱好者，国际广播，军事通信 无绳电话，电报，传真)高频30-300MHz:Very High frequency(VHF)(调频FM，甚高频电视)0.33GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信)超高频频率低20Hz范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，能被感觉到。(处于VLF Very low frequency)甚低频频率20Hz20KHz称为声波，Low frequency(处于LF)低频频率20KHz称为超声波，具有方向性，可以成束(处于LF),1.2 数字信号处理领域的理论基础,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，现在离散时间信号的处理是主要的。大家将看到，在第五章以前，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基础，主要是离散线性变换(LSI)系统理论和离散付里叶变换(DFT)理论。,具体地说，主要包括：信号采集（A/D技术、抽样定理、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微积分，概率统计，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，其基本理论较为稳定。图1-2是一个数字信号处理系统示意图。,D/A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，其硬件产品，如TMS320C6000DSP高性能、易使用和低成本的特点使它成为多通道、多功能应用场合的理想选择；共享modem、无线基站、光传输基站、远程操作服务器(RAS)、DSL系统、Cable modem、多通道电话系统、3D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、无线多媒体通信和INTERNET等。,各种数字信息系统,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,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,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,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。,数字压缩,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、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,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,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。,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)。,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,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,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。,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。,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。,生物医学信号处理,生物医学信号处理CT/CATCT：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。,消费类电子产品的应用,在消费类电子产品（consumer electronics)采用技术已越来越多。例如:(1)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,保证 声音（采用1.4/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完成围绕声、各种环境声场的模拟、混响、均衡等。,在图像处理方面，图像数据压缩是多媒体通信、影碟机(VCD或DVD)和高清晰度电视(HDTV)的关键技术。国际上先后制定的标准H.261、JPEG、MPEG-1和MPEG-2中均使用了离散余弦变换(DCT)算法。近年来发展起来的小波(Wavelet)变换也是一种具有高压缩比和快速运算特点的崭新压缩技术，应用前景十分广阔，可望成为新一代压缩技术的标准。,2)优越性,精度高；数字系统里，17位字长处理精度可达10-5，采用配置浮点算法及更高技巧的16位或32位运算，精度达到10-7是没有问题的；而且随着纳米技术的应用，数字系统的性能更高，而精度也将会进一步提高。而在模拟系统中，它的精度是由元件决定，模拟元器件的精度很难达到10-3以上。,可靠性强；数字系统：只有两个信号电平0，1两种状态，受噪声及环境条件等影响小。模拟系统：各参数都有一定的温度系数，易受环境条件，如温度、振动、电磁感应等影响，产生杂散效应甚至振荡等，且数字系统采用大规模集成电路，其故障率远远小于采用众多分立元件构成的模拟系统。,灵活性大；数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，而这些系数存放于系数存储器内，只需改变存储器内所存的系数数据，就可得到不同的数字系统。而模拟系统的改变必须涉及元器件改变，不易改变。,例如：有限长单位脉冲响应数字滤波器可以实现严格的线性相位；在数字信号处理中可以将信号存储起来，用延迟的方法实现非因果系统，从而提高了系统的性能指标；数据压缩方法可以大大地减少信息传输中的信道容量。,可以实现模拟系统很难达到的指标或特性,利用庞大的存储单元，可以存储二维的图像信号或多维的阵列信号，实现二维或多维的滤波及谱分析等。,可以实现多维信号处理,（1）增加了系统的复杂性。他需要模拟接口以及比较复杂的数字系统。（2）应用的频率范围受到限制。主要是A/D转换的采样频率的限制。（3）系统的功率消耗比较大。数字信号处理系统中集成了几十万甚至更多的晶体管，而模拟信号处理系统中大量使用的是电阻、电容、电感等无源器件，随着系统的复杂性增加这一矛盾会更加突出。,缺点,14 数字信号处理的实现,数字信号处理的实现就是把它常用的3种运算形式：加法、乘法和存储（延迟）以一定方式实现，它大致可分为如下方法：,硬件实现软件实现片上系统（SOC,System on a Chip）,1硬件方式 采用3种运算器，即加法器、乘法器、延时器及其组合设计适合于各种目的的数字电路系统，以完成序列运算。在数字信号处理中，硬件电路实时快速处理是一大优点，缺点是设备只能专用。现在结合嵌入式系统理念设计的专用数字电路对处理数字序列可能有很大好处。,2 软件方式 一般来说，在通用计算机上或嵌入式系统上，采用高级语言编制各种需要的计算程序，可以达到处理数字信号的目的。但软件方法因为速度慢的原因适合于对实时性要求较底或不要求实时性的场合。应该注意的是，随着计算机性能的提高，实时性要求也在变化，过去由于条件限制，即使硬件实时性也有一定延迟，而今用软件方法同样可以达到实时性处理要求。,软件实现是用一台通用的数字计算机运行数字信号处理程序。其优点是经济，一机可以多用；缺点是处理速度慢，这是由于通用数字计算机的体系结构并不是为某一种特定算法而设计的。在许多非实时的应用场合，可以采用软件实现方法。例如，处理一盘混有噪声的录像(音)带，我们可以将图像(声音)信号转换成数字信号并存入计算机，用较长的时间一帧帧地处理这些数据。处理完毕后，再实时地将处理结果还原成一盘清晰的录像(音)带。通用计算机即可完成上述任务，而不必花费较大的代价去设计一台专用数字计算机。,3数字信号处理器（DSP）方式 现在处理数字信号的主要方法还是各种数字信号处理器（如流行的美国TI公司的TMS320DSP系列），它结合软件和硬件的方式，利用设计特殊的数字信号处理芯片及存储器构成处理硬件电路系统，其中采用高级语言编制的程序来完成运算。DSP处理方式灵活方便，随着集成电路的发展，已经能达到很高的速度，可进行数字图象处理实时处理。已经被广泛用于包括通信工程在内的领域之中。,此外，随着纳米技术的发展，一个复杂数字信号处理系统已可以集成在一个芯片上，称为片上系统（system on chip,SOC）。SOC包含有数字和模拟电路、模拟和数字转换电路、微处理器、微控制器以及数字信号处理器等。与传统的集成电路不同的是，首先采用嵌入式软件的设计方法，把软件和硬件功能集成到SOC的设计流程中，SOC的设计方法将以组装为基础，采用自上至下的设计方法，在设计过程中大量重复使用自行设计或其他第三方拥有知识产权的IP(Intelligent Property)模块。,SOC要充分考虑如何合理划分软件和硬件所实现的系统功能以及如何实现软、硬件之间的信息传递，有机地把系统功能协调起来，达到最大效率。SOC将是数字信号处理系统的一个新型的实现方法。,随着大规模集成电路的发展，一个复杂数字信号处理系统已可以集成在一个芯片上。SOC包含有数字和模拟电路、模拟和数字转换电路、微处理器、微控制器以及数字信号处理器等。与传统的集成电路不同的是，嵌入式软件的设计也被集成到了SOC的设计流程中，SOC的设计方法将以组装为基础，采用自上至下的设计方法，在设计过程中大量重复使用自行设计或其他第三方拥有知识产权的IP(Intelligent Property)模块。SOC要充分考虑如何合理划分软件和硬件所实现的系统功能以及如何实现软、硬件之间的信息传递。SOC将是数字信号处理系统的一个新型的实现方法。,并行是指为了完成同一个任务，几个处理器同时工作，使系统能胜任单个处理器所不能完成的任务；当一个处理器完成单个任务(比如一个滤波器)有很大的富余量时，可让其完成多个任务，这就是复用；流水结构也是多处理器完成同一任务，它与并行结构的主要区别在于并行的各个处理器之间数据交换不多，而流水结构类似于生产中的流水线，数据经一道道“工序”处理。采用并行或流水结构，完全取决于数字信号处理的运算结构。,并行、复用和流水,15数字信号处理发展的阶段性,按照数字信号处理发展历史，可以从数字信号处理算法及其方式大致划分其阶段性。在算法上，20世纪60年代，由于高速数字计算机和微处理器进入应用领域，数字信号处理产生了快速傅里叶变换和数字滤波两种标志性方法。1965年在美国由Cooley-Turkey提出快速付里叶变换(FFT)，作为数字信号处理这一学科的开端。之前可以追溯到17-18世纪的牛顿和高斯时代。,在处理方式上，有3种运算：相加、相乘和延迟。这些运算可以通过软件程序实现，又可以用硬件电路实现。软件处理是把需要的运算编制成为程序，在计算机上执行；它灵活、方便，但比硬件处理要慢。随着计算机性能的不断提高，过去的慢今天可以视之为快。硬件电路实现的典型代表是数字信号处理器(DSP)。,它是以数字信号处理器芯片以及存储器组成硬件电路，把需要的运算用高级语言编程实现，这是硬件电路系统发展达到一定阶段才出现的产物，同时，这也是数字信号处理硬件和软件的完美结合。采用DSP既方便灵活，又能实时处理，所以，DSP技术步入快速发展轨道，日益广泛地应用于包括通信在内的各个领域之中。,目前我们所描述的DSP利用的是电信号，光学DSP(ODSPE)也在研究和开发之中。以色列Lenslet Labs公司正在开发面向光计算机的光学数字信号处理引擎(ODSPE)。目标是用于第三代移动电话和宽带无线接入等领域。在语音信号处理软件开发平台上甚至能够达到数百TOPS（每秒万亿次浮点运算）的速度。如果后者能产生突破，对目前的DSP是一个很好的补充。,我们现在处于一个变化多样的时代，从传统的数字信号处理内容要逐渐过渡到量子信号处理阶段。这将把数字信号处理理论和技术推向更高的发展阶段。,参考文献,胡广书.数字信号处理-理论、算法与实现.北京：清华大学出版社.1999.姚天任，江太辉.数字信号处理.武汉：华中科技大学出版社，2001.周利清，苏菲.数字信号处理基础.北京：北京邮电大学出版社，2005.光学DSP处理性能超过每秒万亿次运算.http:/,参考书,1.S.R.Diniz,Eduardo A.B.da Silva,Sergio L.Netto.数字信号处理系统分析与设计（英文版）,Digital Signal Processing SystemAnalysis and DesignPaulo.北京：电子工业出版社2.美A.V奥本海姆，R.W.谢弗.离散时间信号处理.北京：科学出版社3.Sophocles J.Orfanids(奥法尼索斯S.J).Signal Processing 信号处理导论.北京：清华大学出版社4.楼顺天，李博菡.基于Matlab的系统分析与设计信号处理.西安：西安电子科大出版社,