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數(shù)字信號(hào)處理（DigitalSignalProcessing：DSP）,張旭東清華大學(xué)電子工程系,,什么是信號(hào)處理,信號(hào)處理的目的總是從我們測量到的信號(hào)記錄中提取出對(duì)我們有用的信息,模擬信號(hào)處理,數(shù)字信號(hào)處理,數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展,計(jì)算機(jī)的誕生，為信號(hào)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(hào)處理，陣列處理等,從統(tǒng)計(jì)學(xué)引入信號(hào)處理發(fā)展的另一條主線--現(xiàn)代信號(hào)處理器件和系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)數(shù)字信號(hào)處理有積極推動(dòng),數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)處理（OR）離散時(shí)間信號(hào)處理,離散時(shí)間信號(hào)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(hào)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(chǔ)效應(yīng)后，就變成數(shù)字信號(hào)處理兩個(gè)課程名稱：數(shù)字信號(hào)處理/離散時(shí)間信號(hào)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(hào)處理外，絕大多數(shù)離散信號(hào)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(hào)和系統(tǒng),1.1引言,一個(gè)處理連續(xù)時(shí)間信號(hào)的離散時(shí)間系統(tǒng),C/D:Continuous/DiscreteConverter,連續(xù)時(shí)間信號(hào)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(hào)的數(shù)字信號(hào)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(hào)獲得離散信號(hào)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(hào)，用不同頻率采樣后，得到完全相同的離散信號(hào)。,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(hào)分析時(shí)，其頻率是歸一化的，要得到對(duì)連續(xù)信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)，例如地球物理信號(hào)，模擬系統(tǒng)需要大尺寸的電感和電容,數(shù)字信號(hào)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(jí)、視頻級(jí)、雷達(dá)、聲納等，超高速）數(shù)字信號(hào)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?cè)械念A(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(duì)于數(shù)字信號(hào)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(shì)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(hào)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(duì)策,信號(hào)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(hào)－序列,1.2時(shí)域離散信號(hào)－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(duì)于離散信號(hào)，非整數(shù)序號(hào)是沒有定義的。,1.2時(shí)域離散信號(hào)－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(hào),（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(hào)的頻率與周期,頻率主值,離散信號(hào)的頻率與周期（續(xù)）,高頻與低頻,,,離散信號(hào)的頻率與周期（續(xù)）,正弦信號(hào)的周期,離散信號(hào)的頻率與周期（續(xù)）,,離散信號(hào)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(hào)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(hào)分解中的一種，將信號(hào)分解成基本“粒子”之和,