绪 论
一、数字信号处理基本概念
二、数字信号处理的实现方法
三、数字信号处理的特点
四、数字信号处理的应用领域教科书数字信号处理 (第二版）
丁玉美西安电子科技大学出版社参考书
1.数字信号处理张元、汪元宝、方穗明编北京工业大学出版社
2.数字信号处理 教程数字信号处理 教程习题分析与解答程佩青 清华大学出版社
3.基于 Matlab的系统分析与设计 --信号处理楼顺天等 西安电子科大出版社参考书
4.离散时间信号处理
[美 ]A.V奥本海姆 R.W.谢弗编科学出版社
5.Signal Processing 信号处理导论
Sophocles J.Orfanids(奥法尼索斯 S.J)
清华大学出版社绪 论
一、数字信号处理基本概念
二、数字信号处理的实现方法
三、数字信号处理的特点
四、数字信号处理的应用领域数字信号处理系统的基本组成前置预滤波器
A/D
变换器数字信号处理器
D/A
变换器模拟滤波器模拟
Xa(t)
PrF ADC DSP DAC PoF
模拟
Ya(t)
一、数字信号处理基本概念
1、数字信号处理定义
凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所进行的一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算。例如：滤波、
检测、参数提取、频谱分析等。
对于 DSP:狭义理解可为 Digital Signal
Processor 数字信号处理器。广义理解可为
Digital Signal Processing 译为数字信号处理技术。在此我们讨论的 DSP的概念是指广义的理解。
2、信号分类
同一种信号，如电信号，可从不同角度进行分类：
– （ a）一维信号、二维信号、矢量信号
– （ b）周期信号和非周期信号
– （ c）确定性信号和随机信号
– （ d）能量信号和功率信号
– （ e）连续信号、离散信号
– （ f）模拟信号和数字信号
（ d）能量信号和功率信号
若信号能量 E有限，则称为能量信号；
若信号功率 P有限，则称为功率信号；
信号能量 E可表示为
2
2
()
()
n
E x t dt
E x n
(e)连续时间信号和离散时间信号
信号的变量的一般有时间与幅值，其取值方式有连续与离散两种。
– 连续时间信号,其时间是连续的，幅值可以是连续的也可以是离散（量化）的。
– 离散时间信号,时间是离散，幅值是连续的。
(f)模拟信号和数字信号
模拟信号：指 时间连续,幅度连续 的信号。
数字信号,时间和幅度上都是离散 （量化）
的信号。故数字信号可用一序列的数表示，
而每个数又可表示为二制码的形式。
3、系统
系统：处理信号的物理设备或运算。或者说，凡是能将信号加以变换以达到人们要求的各种设备称之为系统。
实际上，因为系统是完成某种运算（操作）的，因而我们还可把软件编程也看成一种系统的实现方法。
4、信号处理
信号处理是研究系统对含有信息的信号进行处理（变换），以获得人们所希望的信号，从而达到提取信息、便于利用的一门学科。
系统处理
y(t)x(t)
信号处理的内容
滤波
变换
检测
谱分析
估计
压缩
识别
等一系列的加工处理。
数字信号处理学科内容
数字信号处理学科包含有
– 离散时间线性时不变系统分析
– 离散时间信号时域及频域分析、离散付里叶变换（ DFT） 理论。
– 信号的采集，包括 A/D,D/A技术，抽样，量化噪声理论等。
– 数字滤波技术
– 谱分析与快速付里叶变换（ FFT），快速卷积与相关算法。
– 自适应信号处理二、数字信号处理实现方法
1.采用大、中小型计算机和微机。
2.用单片机。
3.利用通用 DSP芯片
4.利用特殊用途的 DSP芯片
1.采用大、中小型计算机和微机
工作站和微机上各厂家的数字信号软件，
如有各种图象压缩和解压软件。
用这一方法优点：可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。
2.用单片机
由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能很强。
优点：可根据不同环境配不同单片机，其能达实时控制，但数据运算量不能太大。
3.利用通用 DSP芯片
DSP芯片较之单片机有着更为突出优点。
如内部带有乘法器，累加器，采用流水线工作方式及并行结构，多总线速度快。配有适于信号处理的指令 (如 FFT指令 )等。
目前市场上的 DSP芯片有：
– 美国德州仪器公司 (TI):TMS320CX系列 占有
90%
– 还有 AT&T公司 dsp16,dsp32系列
– Motorola公司的 dsp56x,dsp96x系列
– AD公司的 ADSP21X,ADSP210X系列
4.利用特殊用途的 DSP芯片
市场上推出专门用于 FFT,FIR滤波器，卷积、
相关等专用数字芯片。如：
– BB公司,DF17XX系列
– MAXIM公司,MAXIM27X,MAXIM28X
– National公司,National-SEMI系列,MF系列。
其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使用者只需给出输入数据，可在输出端直接得到数据。
三、数据信号处理的特点
与模拟系统 (ASP)相比，数字系统具有如下特点：
– 1、精度高
– 2、可靠性高
– 3、灵活性大
– 4、易于大规模集成
– 5、时分复用
– 6、可获得高性能指标
– 7、二维与多维处理
1.精度高
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。而数字系统中,17位字长就可达 10-5精度，所以在高精度系统中，有时只能采用数字系统。
2.可靠性强
数字系统：只有两个信号电平 0,1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。
3.灵活性大
数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且系数存放于系数存储器内，只需改变存储的系数，就可得到不同的系统，比改变模拟系统方便得多。
4.易于大规模集成
数字部件：高度规范性，便于大规模集成，
大规模生产，对电路参数要求不严，故产品成品率高。
例,(尤其 )在低频信号：如地震波分析，需要过滤几 Hz~几十 Hz的信号，用模拟系统处理其电感器、电容器的数值，体积，重量非常大，且性能亦不能达到要求，而数字信号处理系统在这个频率处却非常优越
(显示出体积，重量和性能的优点）。
5.时分复用
利用 DSP同时处理几个通道的信号。
某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙时间，因而在同步器的控制下，在此时间空隙中送入其他路的信号，而各路信号则利用同一 DSP，
后者在同步器的控制下，算完一路信号后，再算另一路信号，因而处理器运算速度越高，能处理的信道数目也就越多。
多路器 DSP
分路器同步
1
2
3
n
1
2
3
n
6.可获得高性能指标
例：对信号进行频谱分析
模拟频谱仪在频率低端只能分析到 10Hz以上频率，且难于做到高分辨率 (也即足够窄的带宽 )。
但在数字的谱分析中，已能做到 10-3Hz的谱分析。
又例：有限长冲激响应数字滤波器，则可实现准确的线性相位特性，这在模拟系统中是很难达到的。
7.二维与多维处理
利用庞大的存储单元，可以存储一帧或数帧图象信号，实现二维甚至多维信号包括二维或多维滤波，二维及多维谱分析等。
8.局限性
数字系统的速度还不算高，因而不能处理很高频率的信号。 (因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理 )
另外，数字系统的设计和结构复杂，价格较高，对一些要求不高的应用来说，还不宜使用。
四、数字信号处理的应用领域
自 20世纪 60年代以来，数字信号处理的应用已成为一种明显的趋势，这与它突出优点分不开的。
数字信号处理应用大致可分为：
– 信号分析
– 信号滤波
1、信号分析
任务：涉及信号特性的测量。它通常是一个频域的运算。
主要应用于：
– 谱 (频率和 /或相位 )分析
– 语音分析
– 说话人识别
– 目标检测
2、信号滤波
数字滤波就是在各种信号中提取所需的信号,抑制不需要的信号或干扰信号。同时还能消除信息在传输过程中由于信道不理想所引起的失真
应用于：数字通信，雷达，遥感，声纳，
语音合成，图象处理，测量与控制，高清晰度电视，多媒体物理学，生物医学，机器人等。
3,DSP的典型应用
1.网络
2.无线通信
3.家电
4.另外还有虚拟现实，噪声对消技术，
电机控制，图像处理等等
可以说 DSP是现代信息产业的重要基石，
它在网络时代的地位与 CPU在 PC时代的地位是一样的。
4,DSP技术的发展方向
数字信号处理技术已经成熟,正在获得广泛的应用。目前在电子和通信领域正在进行一场数字化革命,ＤＳＰ s在其中扮演着主要角色,它为新体制、新原理和新算法提供了最佳的实现条件。
DSP技术的发展趋势，可用四个字“多快好省”来概括。
（ 1） 多,可从广度和深度看，广度是指 DSP
的型号越来越多。如 TMS320C2x（控制） /5x
（低功耗） /6x（高性能处理）,从深度讲是多
CPU的糅合，一种多 DSP的糅合，一种 DSP
的核和其他事务性处理的核的糅合在一起如
RM核。
（ 2） 快,即运算的速度越来越快，指令速度越来越快，频率越来越高，功能越来越强。
（ 3）,好,主要是指性能价格比。
– 性价比符合摩尔定律：每隔 18个月，芯片的速度提高一倍，价格是原来的一半。这是由于半导体工艺的发展，使得成本降低引起的。
（ 4）,省,功耗越来越低。
– 正是由于 DSP多快好省的发展,DSP的应用范围越来越宽。
数字信号处理的发展方向举例
（ 1）数字汇聚（ digital convergence)
– 将信号处理、通信和计算机的融合，其中数字信号处理是一种粘合剂，它把通信产业、消费类电子产业以及计算机产业紧密结合在一起。
– 按照德州仪器（ TI）公司的估计,2001年数字信号处理器的工艺水平可达到 0.1um,运算速度可达 1
万亿条指令每秒（ 1,000,000MIPS）； 2010年工艺水平可达到 0.075um,运算速度可达 3万亿条指令每秒（ 3,000,000MIPS），可以置于任何系统中。
（ 2）远程会议系统（ teleconference systems)
（ 3)融合网络（ fusion net):把公众电信网络与计算机网络更好地结合在一起，并与家庭娱乐信息设施相适配的网络。
（ 4）数字图书馆（ liberary)
（ 5)图像与文本合一的信息检索业务。
（ 6）多媒体通信：包括媒体的压缩，媒体的综合（即从文本到语言以及自然会话的表情丰富的面孔，还有虚拟现实应用场景的综合），媒体的识别（涉及到音频和视频目标的识别），消息的转换和自然查询（如电子信函或传真向语音的转换，信息过滤，可变尺度的数据库与关系数据库各种通信网的综合）。
（ 7）个人信息终端：把个人通信系统与个人数字助理非常自然地结合在一起，以实现无时不在无处不在的通信功能。
一、数字信号处理基本概念
二、数字信号处理的实现方法
三、数字信号处理的特点
四、数字信号处理的应用领域教科书数字信号处理 (第二版）
丁玉美西安电子科技大学出版社参考书
1.数字信号处理张元、汪元宝、方穗明编北京工业大学出版社
2.数字信号处理 教程数字信号处理 教程习题分析与解答程佩青 清华大学出版社
3.基于 Matlab的系统分析与设计 --信号处理楼顺天等 西安电子科大出版社参考书
4.离散时间信号处理
[美 ]A.V奥本海姆 R.W.谢弗编科学出版社
5.Signal Processing 信号处理导论
Sophocles J.Orfanids(奥法尼索斯 S.J)
清华大学出版社绪 论
一、数字信号处理基本概念
二、数字信号处理的实现方法
三、数字信号处理的特点
四、数字信号处理的应用领域数字信号处理系统的基本组成前置预滤波器
A/D
变换器数字信号处理器
D/A
变换器模拟滤波器模拟
Xa(t)
PrF ADC DSP DAC PoF
模拟
Ya(t)
一、数字信号处理基本概念
1、数字信号处理定义
凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所进行的一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算。例如：滤波、
检测、参数提取、频谱分析等。
对于 DSP:狭义理解可为 Digital Signal
Processor 数字信号处理器。广义理解可为
Digital Signal Processing 译为数字信号处理技术。在此我们讨论的 DSP的概念是指广义的理解。
2、信号分类
同一种信号，如电信号，可从不同角度进行分类：
– （ a）一维信号、二维信号、矢量信号
– （ b）周期信号和非周期信号
– （ c）确定性信号和随机信号
– （ d）能量信号和功率信号
– （ e）连续信号、离散信号
– （ f）模拟信号和数字信号
（ d）能量信号和功率信号
若信号能量 E有限，则称为能量信号；
若信号功率 P有限，则称为功率信号；
信号能量 E可表示为
2
2
()
()
n
E x t dt
E x n
(e)连续时间信号和离散时间信号
信号的变量的一般有时间与幅值，其取值方式有连续与离散两种。
– 连续时间信号,其时间是连续的，幅值可以是连续的也可以是离散（量化）的。
– 离散时间信号,时间是离散，幅值是连续的。
(f)模拟信号和数字信号
模拟信号：指 时间连续,幅度连续 的信号。
数字信号,时间和幅度上都是离散 （量化）
的信号。故数字信号可用一序列的数表示，
而每个数又可表示为二制码的形式。
3、系统
系统：处理信号的物理设备或运算。或者说，凡是能将信号加以变换以达到人们要求的各种设备称之为系统。
实际上，因为系统是完成某种运算（操作）的，因而我们还可把软件编程也看成一种系统的实现方法。
4、信号处理
信号处理是研究系统对含有信息的信号进行处理（变换），以获得人们所希望的信号，从而达到提取信息、便于利用的一门学科。
系统处理
y(t)x(t)
信号处理的内容
滤波
变换
检测
谱分析
估计
压缩
识别
等一系列的加工处理。
数字信号处理学科内容
数字信号处理学科包含有
– 离散时间线性时不变系统分析
– 离散时间信号时域及频域分析、离散付里叶变换（ DFT） 理论。
– 信号的采集，包括 A/D,D/A技术，抽样，量化噪声理论等。
– 数字滤波技术
– 谱分析与快速付里叶变换（ FFT），快速卷积与相关算法。
– 自适应信号处理二、数字信号处理实现方法
1.采用大、中小型计算机和微机。
2.用单片机。
3.利用通用 DSP芯片
4.利用特殊用途的 DSP芯片
1.采用大、中小型计算机和微机
工作站和微机上各厂家的数字信号软件，
如有各种图象压缩和解压软件。
用这一方法优点：可适用于各种数字信号处理的应用场合，很灵活。
2.用单片机
由于单片机发展已经很久，价格便宜，且功能很强。
优点：可根据不同环境配不同单片机，其能达实时控制，但数据运算量不能太大。
3.利用通用 DSP芯片
DSP芯片较之单片机有着更为突出优点。
如内部带有乘法器，累加器，采用流水线工作方式及并行结构，多总线速度快。配有适于信号处理的指令 (如 FFT指令 )等。
目前市场上的 DSP芯片有：
– 美国德州仪器公司 (TI):TMS320CX系列 占有
90%
– 还有 AT&T公司 dsp16,dsp32系列
– Motorola公司的 dsp56x,dsp96x系列
– AD公司的 ADSP21X,ADSP210X系列
4.利用特殊用途的 DSP芯片
市场上推出专门用于 FFT,FIR滤波器，卷积、
相关等专用数字芯片。如：
– BB公司,DF17XX系列
– MAXIM公司,MAXIM27X,MAXIM28X
– National公司,National-SEMI系列,MF系列。
其软件算法已在芯片内部用硬件电路实现，使用者只需给出输入数据，可在输出端直接得到数据。
三、数据信号处理的特点
与模拟系统 (ASP)相比，数字系统具有如下特点：
– 1、精度高
– 2、可靠性高
– 3、灵活性大
– 4、易于大规模集成
– 5、时分复用
– 6、可获得高性能指标
– 7、二维与多维处理
1.精度高
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。而数字系统中,17位字长就可达 10-5精度，所以在高精度系统中，有时只能采用数字系统。
2.可靠性强
数字系统：只有两个信号电平 0,1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。
3.灵活性大
数字系统的性能主要决定于乘法器的各系数，且系数存放于系数存储器内，只需改变存储的系数，就可得到不同的系统，比改变模拟系统方便得多。
4.易于大规模集成
数字部件：高度规范性，便于大规模集成，
大规模生产，对电路参数要求不严，故产品成品率高。
例,(尤其 )在低频信号：如地震波分析，需要过滤几 Hz~几十 Hz的信号，用模拟系统处理其电感器、电容器的数值，体积，重量非常大，且性能亦不能达到要求，而数字信号处理系统在这个频率处却非常优越
(显示出体积，重量和性能的优点）。
5.时分复用
利用 DSP同时处理几个通道的信号。
某一路信号的相邻两抽样值之间存在很大的空隙时间，因而在同步器的控制下，在此时间空隙中送入其他路的信号，而各路信号则利用同一 DSP，
后者在同步器的控制下，算完一路信号后，再算另一路信号，因而处理器运算速度越高，能处理的信道数目也就越多。
多路器 DSP
分路器同步
1
2
3
n
1
2
3
n
6.可获得高性能指标
例：对信号进行频谱分析
模拟频谱仪在频率低端只能分析到 10Hz以上频率，且难于做到高分辨率 (也即足够窄的带宽 )。
但在数字的谱分析中，已能做到 10-3Hz的谱分析。
又例：有限长冲激响应数字滤波器，则可实现准确的线性相位特性，这在模拟系统中是很难达到的。
7.二维与多维处理
利用庞大的存储单元，可以存储一帧或数帧图象信号，实现二维甚至多维信号包括二维或多维滤波，二维及多维谱分析等。
8.局限性
数字系统的速度还不算高，因而不能处理很高频率的信号。 (因为抽样频率要满足奈奎斯特准则定理 )
另外，数字系统的设计和结构复杂，价格较高，对一些要求不高的应用来说，还不宜使用。
四、数字信号处理的应用领域
自 20世纪 60年代以来，数字信号处理的应用已成为一种明显的趋势，这与它突出优点分不开的。
数字信号处理应用大致可分为：
– 信号分析
– 信号滤波
1、信号分析
任务：涉及信号特性的测量。它通常是一个频域的运算。
主要应用于：
– 谱 (频率和 /或相位 )分析
– 语音分析
– 说话人识别
– 目标检测
2、信号滤波
数字滤波就是在各种信号中提取所需的信号,抑制不需要的信号或干扰信号。同时还能消除信息在传输过程中由于信道不理想所引起的失真
应用于：数字通信，雷达，遥感，声纳，
语音合成，图象处理，测量与控制，高清晰度电视，多媒体物理学，生物医学，机器人等。
3,DSP的典型应用
1.网络
2.无线通信
3.家电
4.另外还有虚拟现实，噪声对消技术，
电机控制，图像处理等等
可以说 DSP是现代信息产业的重要基石，
它在网络时代的地位与 CPU在 PC时代的地位是一样的。
4,DSP技术的发展方向
数字信号处理技术已经成熟,正在获得广泛的应用。目前在电子和通信领域正在进行一场数字化革命,ＤＳＰ s在其中扮演着主要角色,它为新体制、新原理和新算法提供了最佳的实现条件。
DSP技术的发展趋势，可用四个字“多快好省”来概括。
（ 1） 多,可从广度和深度看，广度是指 DSP
的型号越来越多。如 TMS320C2x（控制） /5x
（低功耗） /6x（高性能处理）,从深度讲是多
CPU的糅合，一种多 DSP的糅合，一种 DSP
的核和其他事务性处理的核的糅合在一起如
RM核。
（ 2） 快,即运算的速度越来越快，指令速度越来越快，频率越来越高，功能越来越强。
（ 3）,好,主要是指性能价格比。
– 性价比符合摩尔定律：每隔 18个月，芯片的速度提高一倍，价格是原来的一半。这是由于半导体工艺的发展，使得成本降低引起的。
（ 4）,省,功耗越来越低。
– 正是由于 DSP多快好省的发展,DSP的应用范围越来越宽。
数字信号处理的发展方向举例
（ 1）数字汇聚（ digital convergence)
– 将信号处理、通信和计算机的融合，其中数字信号处理是一种粘合剂，它把通信产业、消费类电子产业以及计算机产业紧密结合在一起。
– 按照德州仪器（ TI）公司的估计,2001年数字信号处理器的工艺水平可达到 0.1um,运算速度可达 1
万亿条指令每秒（ 1,000,000MIPS）； 2010年工艺水平可达到 0.075um,运算速度可达 3万亿条指令每秒（ 3,000,000MIPS），可以置于任何系统中。
（ 2）远程会议系统（ teleconference systems)
（ 3)融合网络（ fusion net):把公众电信网络与计算机网络更好地结合在一起，并与家庭娱乐信息设施相适配的网络。
（ 4）数字图书馆（ liberary)
（ 5)图像与文本合一的信息检索业务。
（ 6）多媒体通信：包括媒体的压缩，媒体的综合（即从文本到语言以及自然会话的表情丰富的面孔，还有虚拟现实应用场景的综合），媒体的识别（涉及到音频和视频目标的识别），消息的转换和自然查询（如电子信函或传真向语音的转换，信息过滤，可变尺度的数据库与关系数据库各种通信网的综合）。
（ 7）个人信息终端：把个人通信系统与个人数字助理非常自然地结合在一起，以实现无时不在无处不在的通信功能。
