01 第1章 DSP数字信号处理绪论.pptx

第1页：数字信号处理课程封面

数字信号处理（DSP）（Digital Signal Processing）课程封面，本套课件由此展开绪论部分的学习。

第2页：开场欢迎页

课程开场页，以 Welcome back 迎接学生进入第 1 章绪论的学习。

第3页：第1章绪论

第 1 章 绪论（Preface）：本章依次介绍基本概念、DSP 系统的基本组成、DSP 和 DSP 系统的特点、数字信号处理的学科概貌、发展历史以及本课程的安排。

第4页：绪论主要内容

本章主要内容

• 基本概念
• DSP 系统的基本组成
• DSP 和 DSP 系统的特点
• 数字信号处理的学科概貌
• DSP 的发展历史
• 本课程的安排

第5页：基本概念内容细分

本章主要内容：基本概念部分进一步细分为信号、信号分类与数字信号处理三项。

• 1. 信号
• 2. 信号分类
• 3. 数字信号处理

第6页：信号与信息的概念

信号

反映（或载有）信息的各种物理量，是系统直接进行加工、变换以实现通信的对象；是传输信息的函数，信息的物理表现形式。

信息

信号的具体内容，通俗地讲就是有用的消息。

两者关系

信息是一个十分抽象而又复杂的概念，是通信系统中传送的对象，其特点是无形的，必须用一定形式的信号来表示。

第7页：信号的示例

信号示例

• 自然和物理信号：语音、图像、地震信号、生理信号等
• 人工产生的信号：雷达信号、通讯信号、医用超声信号、机械探伤信号等

第8页：信号是信息的载体

本页以配图说明信号是信息的载体：信息依附于具体的信号形式得以传递。

第9页：图像与信息载体

本页以图像、图形为例，说明信号是信息的载体：图像类信号同样承载并传递信息。

第10页：信号的获得

信号的获得

声音

麦克风将声音信号转变成为电信号。

图像（模拟相机）

光信号控制胶片上的化学反应。

图像（数字相机）

光信号产生电荷包，再转变为二维栅上的电信号。

第11页：各种信号的传感器

第12页：按载体的信号分类

2、信号分类（依载体不同）

• 电信号
• 磁信号
• 振动信号
• 声信号
• 图像信号

第13页：信号的维数分类

依变量个数分类

• 一维信号
• 二维信号（图像）
• 多维信号（二维信号＋时间变量构成三维信号，如视频）

第14页：周期性与确定性分类

信号分类（续）

• 依周期性：周期信号、非周期信号
• 依是否为确定函数：确定信号、随机信号

判别依据：给定自变量的值，是否可以唯一确定信号的取值。

第15页：模拟信号与数字信号

模拟信号

是自变量的连续函数，自然界大部分信号属于此类。

数字信号

在时间上和幅度上都是离散的信号，可由模拟信号经离散和量化得到，亦可客观存在，本质上只是一系列的“数”。

两者关系：模拟信号经 A/D 变换得到数字信号；数字信号经 D/A 变换还原为模拟信号。

第16页：信号的其他分类

其他分类

• 因果信号与非因果信号：信号在时间零点之前取值为零与否
• 实值信号与复值信号：信号的取值是实数还是复数
• 能量信号与功率信号：即能量有限信号与功率有限信号

第17页：信号处理的目的

信号处理

对信号进行提取、变换、分析和综合等处理过程的统称。

信号处理的目的

• 去伪存真：去除信号中冗余的和次要的成分
• 特征抽取：把信号变成易于进行分析和识别的形式
• 编码解码：把信号变成易于传输、交换与存储的形式，或从编码信号中恢复出原始信号

第18页：数字信号处理与DSP含义

数字信号处理

利用计算机或专用设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值、识别等处理，借以达到提取信息和便于应用的目的。通俗地讲，处理就是加工，因数字信号常表示成序列，加工实际上就是相加、相乘和位移。

DSP（狭义）

数字信号处理器 Digital Signal Processor

DSP（广义）

数字信号处理技术 Digital Signal Processing

第19页：内容导览与系统组成

本章主要内容：基本概念之后，进入 DSP 系统的基本组成。

• 1. 基本概念
• 2. DSP 系统的基本组成
• 3. DSP 和 DSP 系统的特点
• 4. 数字信号处理的学科概貌
• 5. DSP 的发展历史
• 6. 本课程的安排

第20页：数字信号处理的步骤

数字信号处理的步骤：模数转换 ADC → 数字信号处理 DSP → 数模转换 DAC。

• 自变量（时间）和幅值同时离散化
• 变换域分析、数字滤波、识别、合成
• 数字信号还原为模拟信号

保证信息不丢失的理论基础是：采样定理。

第21页：DSP系统基本组成

DSP 系统的基本组成框图：本页以框图展示信号在系统中由模拟形态转为数字形态、再还原为模拟形态的流向。

第22页：前置预滤波器

前置预滤波器

滤除高于某一频率的信号，防止混迭；并起限幅作用。

• 语音能量集中于：20Hz～7kHz
• 人耳能感知：50Hz～4kHz

第23页：A/D变换器

A/D 变换器

完成抽样和量化，实现数字化（本页配有抽样与量化波形示意图）。

第24页：数字信号处理器

数字信号处理器

对数字序列进行加工运算，本页以 x(n) 与 y(n) 的序列波形示意系统的输入输出关系。

第25页：D/A变换器与模拟滤波器

D/A 变换器

把数字序列 y(n) 还原为连续时间信号 y(t)。

模拟滤波器

对还原后的模拟信号进行平滑滤波处理。

第26页：DSP系统的信号变化

本页以图示展示DSP 系统的信号变化：信号沿处理链路在各环节上依次发生形态转换。

第27页：内容导览与系统特点

本章主要内容：进入 DSP 和 DSP 系统的特点，分为优点与局限两部分。

• 1. 优点
• 2. 局限

第28页：数字系统的高精度优势

1．精度高

• 模拟系统：由元器件确定，精度很难达到 10⁻³
• 数字系统：由字长确定，比如 17 比特字长可使精度达到 10⁻⁵

所以，高精度系统只能采用数字系统。

第29页：可控性与稳定性优势

2．可控性好，灵活性好：数字系统的性能主要由乘法器的系数决定，系数存于存储器中容易修改，改变不同系数就得到不同的系统；修改程序中的一些语句就能修改系统。

3．稳定性好，可靠性高：数字系统只有“0”和“1”两个电平，受温度噪声影响小；模拟系统由元器件搭建而成，制造误差范围大，特性随温度、振动、电磁变化。

第30页：易集成与时分复用优势

• 4．容易大规模集成：规范性高，电路参数要求不高，体积小
• 5．容易时分复用（取样后有空隙）
• 6．可重复性好，容易获得高性能指标
• 7．可进行二维和多维处理，容易实现大容量存储

本页配有多路开关示意图，说明数字信号处理器的时分复用结构。

第31页：数字系统的局限性

2、数字系统局限性

• 数字系统速度还不够高，不能胜任太高频率的系统（需要满足采样定律的要求）
• 设计和结构比较复杂，价格较高，不适于要求较低的需求
• 数字系统由有源器件构成

第32页：内容导览与学科概貌

本章主要内容：进入 数字信号处理的学科概貌，分为研究内容与应用领域。

• 1. 研究内容
• 2. 应用领域

第33页：学科研究内容一

DSP 是近几十年发展起来的一门新兴学科。

• 1.信号的采集：实现信号的数字化，包括取样、量化
• 2.信号的分析：信号描述与运算，各种变换，时域、频域分析
• 3.系统分析：线性系统与非线性系统、时变与非时变系统、线性时（移）不变系统、因果与非因果系统、线性时（移）不变因果系统
• 4.快速算法：如 FFT、WFT、快速卷积与相关算法

第34页：学科研究内容二

• 5.数字滤波技术：IIR 数字滤波器与 FIR 数字滤波器的分析与设计
• 6.信号的频谱分析与估值：确定信号做谱分析，随机信号做相关计算与谱估计
• 7.特殊算法：反卷积、信号重构
• 8.数字信号处理的实现：（1）在通用微机上用软件实现，如各种处理软件，优点是很灵活

第35页：数字信号处理的实现方式

• （2）用单片机实现：如家用电器的数字显示，价格便宜，运算量不能太大
• （3）利用通用 DSP 芯片：流水线方式、并行运算，运算很快
• （4）利用特殊用途的 DSP 芯片：将某些算法硬件化
• （5）采用 FPGA 技术

第36页：应用领域之语音处理

（1）语音处理：DSP 最初的应用，具有代表性。

• 语音分析：把语音分解成参数，如频谱分析
• 语音合成：生成语音，如盲人自动阅读机、语音响应的电脑终端
• 语音识别：说话人识别与内容识别，如语音拨号
• 语音增强：降噪
• 语音编码：压缩语音便于传输和存储，如 GSM 手机中语音压缩至 13kbps，卫星电话更低

第37页：应用领域之图像处理

（2）图像：与语音相似，静态图像是二维的，动态为三维。

• 数据压缩：可视电话/视频聊天，H.264、MPEG4
• 图像复原：去模糊（相机抖动、散焦，卫星与遥感图像）、超分辨率
• 图像增强：公安领域的低质录像或照片
• 图像识别与目标跟踪：指纹识别等保密应用

第38页：应用领域之通信

（3）通信：世界上最大的行业。

• 调制/解调
• 滤波
• 数据压缩
• 数据保密
• 多路传输
• 移动通信：2G、3G……

第39页：应用领域之医疗

（4）医疗：生物医学信号处理，新兴的交叉学科。

• 脑电图、心电图分析
• 红外图像处理
• X 射线断层处理
• X 射线的空间重建
• 全身扫描、立体图形

第40页：其他日常应用领域

其他应用：遍及日常生活及各专业领域。

• 磁带 → CD → MP3
• 手机
• DC、DV
• 数字电视
• 计算机
• VoIP

第41页：为什么要学习数字信号处理

在过去的数十年中，数字信号处理（DSP）领域无论理论上还是技术上都有非常重要的发展。由于工业上开发和利用廉价的硬件和软件，不同领域的新工艺和新应用现在都想利用 DSP 算法，使 DSP 的研究和应用变得越来越重要。

第42页：内容导览与发展历史

本章主要内容：进入 DSP 的发展历史。

第43页：DSP发展历史一

• 1．理论基础（计算数学）：17 世纪至 18 世纪中叶发展起来
• 2．DSP 独立学科的形成：20 世纪 40～50 年代；迅速发展于 20 世纪 60 年代中期
• 3．FFT 的推动作用：1965 年 J.W.Cooley 与 J.W.Tukey 提出快速傅立叶变换算法 FFT（Fast Fourier Transform），很快得到推广应用

第44页：DSP发展历史二

• 4．数字滤波器设计方法的研究：20 世纪 40 年代～60 年代中期形成完整的理论基础，是 DSP 迅速发展的另一个标志
• 5．计算机与专用芯片技术的推动：DSP 芯片代表产品为 TI 公司的 TMS320XXX 系列产品

第45页：内容导览与课程安排

本章主要内容：进入 本课程的安排。

第46页：课程性质与讲授内容

性质

专业基础课。

讲授内容

• 第一章 绪论
• 第二章 离散时间信号和系统
• 第三章 离散傅里叶变换及其快速算法
• 第四章 数字滤波器的原理和设计方法
• 第五章 离散时间随机信号
• 第七章 功率谱估计的经典方法

第47页：课程指定教材

教材

主教材

《数字信号处理》（第 3 版），姚天任、江太辉，华中科技大学出版社。

第48页：课程目标与学时安排

课程目标

• 掌握 DSP 的基本概念、基本理论和基本方法
• 为以后学习 DSP 系统设计、数字通信、数字语音处理、图像处理、通信信号处理和现代数字信号处理等打下良好的基础

• 课程安排：40（授课）+8（实验）学时
• DSP 仿真软件：MATLAB

第49页：本课程的前导课程

本课程的前导课程

• 1．线性代数
• 2．复变函数
• 3．信号与线性系统
• 4．随机过程

第50页：课程参考书目

参考书

• 《数字信号处理学习指导与题解》，姚天任编著，华中科技大学出版社，2002 年
• 《数字信号处理》（第二版），丁玉美、高西全编著，西安电子科技大学出版社
• 《Digital Signal Processing》A.V.Oppenheim & R.W.Schaffer，Prentice-Hall, INC. 1975；中译本《数字信号处理》董士嘉、杨耀增译，科学出版社，1980

第51页：课程考核方式

考核方式：平时成绩＋考试。

• 平时成绩：考勤、作业、实验
• 考试：开卷考试