数字信号处理方法与实现
电子科技大学
四川 ?成都
贺知明 副教授
内容提要
DSP相关知识
DSP结构特点、分类、发展及应用
SHARC 系列 DSP原理
SHARC 系列 DSP系统的硬件设计
SHARC 系列 DSP开发工具与软件设计
并行 DSP技术
常用 DSP算法
实验部分
参考书目
ADSP SHARC系列 DSP应用系统设计，电
子工业版
高性能数字信号处理器与高速实时信号处
理，西电版
TigerSHARC DSP应用系统设计，电子工
业版
DSP芯片的原理与开发应用，电子工业版
数字信号处理系统及其应用，清华版
资料网站
www.analog.com
www.ti.com
DSP相关知识
DSP—— Digital signal processing
Signal
System
Signal Processing
Real-time Processing
Signal—— 信号
在信号处理领域，信号被定义为一个 随
时间变化 的物理量。
真实世界的
物理信号 传感器 信号处理
电信号
连续信号和离散信号
连续信号,随时间连续 变化，在一个时
间区间里的任何瞬间都有确定的值；
离散信号：只在 离散的时间 点有确定的
值（连续信号采样后得到的）。
模拟信号和数字信号
模拟信号,幅度连续 的信号；
数字信号：不仅时间是离散的，其函数
值也是量化的，即 幅度离散 。
注：由于 数字信号 与一般 离散信号 在数
学模型和分析方法上并无原则区别，故
可不作区分
确定信号和随机信号
确定信号：每个值都可以用 有限个参量
唯一 地加以描述；
随机信号：不能用有限参量来唯一确定
地加以描述，也无法对它的未来值确定
地预测，但可通过统计数字方法描述，
常可用概率密度函数或功率密度谱描述。
如,噪声 （最常用的 白噪声 ）。
白噪声
所有频率 （ 无限带宽,这是一种理想情
况，可定义所研究频带）下具有平坦的
功率密度（即 均匀能量分布 ），但它的
概率密度函数可以有各种分布形式。
从 信号处理 的角度出发，由于噪声是一
个随机过程，可用 统计方法 描述，可将
混杂在有用信号中的噪声去除，即 在噪
声中提取有用信号 。
信号与频谱
信号：以时间为自变量，属 时域 描述；
频谱：以频率为自变量，属 频域 描述；
二者对应关系,付氏变换 。
System—— 系统
物理器件的集合，受到激励，产生响应。
输入（激励） 系
统
输出（响应）
线性时不变系统
遵守 叠加定理 和 时不变 特性。
任何存在于输入信号中的频率分量，经
过线性系统变换之后，它的输出响应中
的幅度和相位都可以改变，但 不会出现
新的频率分量 。可用于判断是否线性系
统。
因果系统和稳定系统
因果系统：系统的输入输出（ I/O）具有
物理上的因果关系；
稳定系统：激励有界，响应也有界。
系统描述
连续情况，可用常系数微分方程、付氏
变换、拉普拉斯变换描述；
离散情况，可用差分方程、离散付氏变
换,Z变换描述。
系统模型
y(n)=x(n)*h(n)
Y(f)=X(f)?H(f)
x(n) h(n) y(n)
X(f) H(f) Y(f)
F F F
Signal Processing—— 信号处理
模拟信号处理
数字信号处理
时域处理
频域处理
数字信号处理对比模拟信号处理的优势
数字信号处理的动态范围宽，信号 -噪声
比高；
例，模拟录音系统偏差允许范围 1~1000
（最大不失真记录电平），则 模拟系统
动态范围,
20lg1000=60dB
数字信号处理的动态范围宽
数字系统,,0”,,1”电平，则 N位 数字
系统动态范围,
20lg(2N )=20Nlg2=6N dB
16位数字系统（ N=16）的动态范围,
6*16=96 dB
可见，数字系统动态范围比模拟系统高
36 dB。
信号在 模拟系统 经过一系列模拟运算处
理，误差积累，噪声逐级放大，整个系
统信噪比指标下降；
对于 数字系统,仅受 A/D转换的量化误差
及系统有限字长影响，处理过程中不会
产生其他噪声。
所以,数字信号处理的信号 -噪声比高。
数字信号处理的信号 -噪声比高
数字信号处理对比模拟信号处理的优势
数字信号处理系统的性能具有确定性、
可预见性和可重复性，稳定性好；
这是由数字器件相比模拟器件的高精度
及高稳定度决定的。
数字信号处理对比模拟信号处理的优势
数字信号处理系统的灵活性强（可程
控），易于实现自适应算法；
数字信号处理系统易于实现大规模集成，
处理能力更加强大。
时域处理和频域处理
时域处理：波形分析，示波器；
频域处理：频谱分析，频谱仪。
例如，在雷达信号处理中，通过波形分
析，从信号的回波时间可得到目标的距
离信息（时域处理）；通过分析多普勒
频移，可得到目标的速度信息。
频域和时域处理主要包括的内容
谱分析、谱估计
滤波
采样数据的抽取和内插
信号的相关分析
Real-time Processing—— 实时处理
非实时处理，离线或脱机（ off-line），
即将要处理的信号先存储下来，再进行
处理，如卫星遥感所得图象是返回地面
作脱机处理；
实时处理，在线或联机（ on-line），即
将采样设备和处理设备联在一起的系统，
对信号边采样边处理，立即得到结果。
实时处理的要求
要求处理系统的速度足够快，数据吞吐能力足
够大，以保证数据不至出现堵塞。
DSP技术发展的早期，实时处理是很困难的。
随着大规模集成电路技术及算法的不断发展，
使实时数字信号处理成为现实，并在雷达、通
信等领域更广泛地应用。
对于数字信号处理系统，如果它的实时性满足
联机处理要求，就称为实时数字信号处理系统。
实时数字信号处理系统框图
模拟输入信号
低通
滤波
采样 /保持
A/D
DSP
D/A
低通
滤波
模拟信号输出
(1) (2) (3)
抗混叠滤波器
由奈奎斯特采样定理，为了采样后真实
地保留原始模拟信号信息，采样率必须
至少为信号最高频率 fmax的 2倍；
否则，为 欠采样,会产生混叠，即混入
新的频率成分，除少数应用中利用欠采
样故意产生混叠之外，在大多数情况，
必须采样之前消除混叠；
抗混叠滤波器
其 基本方法 是使用一个 低通滤波器 （抗
混叠滤波器），在采样前滤掉原有信号
中高于 fmax的频率成分，再选取高于 2fmax
的采样频率进行采样。
过采样,采用较高采样率，达到所处理
信号频率上限的 3~4倍甚至更高，可得到
更高的信号质量，但实现难度大，不宜
实时处理。
采样 /保持电路
在 A/D转换过程中，如果模拟量变化，将
直接影响转换精度。
采样 /保持的输出在采样周期内跟踪电压
输入，并在保持周期把它保持在最后跟
踪的模拟电压值。（见图）
A/D变换
采样 +二进制量化
连续信号
（模拟信号）
采样器
离散信号
（时间离散，幅度连续）
二进制量化
数字信号
量化误差及 A/D有效位数
n位 A/D，量化级数为 2n,位数越高，量化
级数越多，量化误差（量化噪声）越小。
A/D有效位数是 A/D设计的重要指标。
量化误差及 A/D有效位数
经典公式,
S/N=6.02n+4.77 dB
说明：有效位数每增加一位,S/N提高
约 6dB。可由此式反推计算 A/D的有
效位数。
例,n=12,S/N=70 dB
注意,
A/D位数的提高，系统成本也会大大提高，
并且，输入信号本身带有噪声，当量化
噪声小于信号本身所带噪声时，再提高
A/D的位数已无意义。
所以,A/D位数并非越高约好。
注意,
在输入信号满度电压的范围内，大信号
时信噪比优于小信号，但不应超过满刻
度，以免被限幅而失真。
所以，可通过增益可调放大器，使输入
信号尽可能接近满度，以改善信噪比。
电子科技大学
四川 ?成都
贺知明 副教授
内容提要
DSP相关知识
DSP结构特点、分类、发展及应用
SHARC 系列 DSP原理
SHARC 系列 DSP系统的硬件设计
SHARC 系列 DSP开发工具与软件设计
并行 DSP技术
常用 DSP算法
实验部分
参考书目
ADSP SHARC系列 DSP应用系统设计，电
子工业版
高性能数字信号处理器与高速实时信号处
理，西电版
TigerSHARC DSP应用系统设计，电子工
业版
DSP芯片的原理与开发应用，电子工业版
数字信号处理系统及其应用，清华版
资料网站
www.analog.com
www.ti.com
DSP相关知识
DSP—— Digital signal processing
Signal
System
Signal Processing
Real-time Processing
Signal—— 信号
在信号处理领域，信号被定义为一个 随
时间变化 的物理量。
真实世界的
物理信号 传感器 信号处理
电信号
连续信号和离散信号
连续信号,随时间连续 变化，在一个时
间区间里的任何瞬间都有确定的值；
离散信号：只在 离散的时间 点有确定的
值（连续信号采样后得到的）。
模拟信号和数字信号
模拟信号,幅度连续 的信号；
数字信号：不仅时间是离散的，其函数
值也是量化的，即 幅度离散 。
注：由于 数字信号 与一般 离散信号 在数
学模型和分析方法上并无原则区别，故
可不作区分
确定信号和随机信号
确定信号：每个值都可以用 有限个参量
唯一 地加以描述；
随机信号：不能用有限参量来唯一确定
地加以描述，也无法对它的未来值确定
地预测，但可通过统计数字方法描述，
常可用概率密度函数或功率密度谱描述。
如,噪声 （最常用的 白噪声 ）。
白噪声
所有频率 （ 无限带宽,这是一种理想情
况，可定义所研究频带）下具有平坦的
功率密度（即 均匀能量分布 ），但它的
概率密度函数可以有各种分布形式。
从 信号处理 的角度出发，由于噪声是一
个随机过程，可用 统计方法 描述，可将
混杂在有用信号中的噪声去除，即 在噪
声中提取有用信号 。
信号与频谱
信号：以时间为自变量，属 时域 描述；
频谱：以频率为自变量，属 频域 描述；
二者对应关系,付氏变换 。
System—— 系统
物理器件的集合，受到激励，产生响应。
输入（激励） 系
统
输出（响应）
线性时不变系统
遵守 叠加定理 和 时不变 特性。
任何存在于输入信号中的频率分量，经
过线性系统变换之后，它的输出响应中
的幅度和相位都可以改变，但 不会出现
新的频率分量 。可用于判断是否线性系
统。
因果系统和稳定系统
因果系统：系统的输入输出（ I/O）具有
物理上的因果关系；
稳定系统：激励有界，响应也有界。
系统描述
连续情况，可用常系数微分方程、付氏
变换、拉普拉斯变换描述；
离散情况，可用差分方程、离散付氏变
换,Z变换描述。
系统模型
y(n)=x(n)*h(n)
Y(f)=X(f)?H(f)
x(n) h(n) y(n)
X(f) H(f) Y(f)
F F F
Signal Processing—— 信号处理
模拟信号处理
数字信号处理
时域处理
频域处理
数字信号处理对比模拟信号处理的优势
数字信号处理的动态范围宽，信号 -噪声
比高；
例，模拟录音系统偏差允许范围 1~1000
（最大不失真记录电平），则 模拟系统
动态范围,
20lg1000=60dB
数字信号处理的动态范围宽
数字系统,,0”,,1”电平，则 N位 数字
系统动态范围,
20lg(2N )=20Nlg2=6N dB
16位数字系统（ N=16）的动态范围,
6*16=96 dB
可见，数字系统动态范围比模拟系统高
36 dB。
信号在 模拟系统 经过一系列模拟运算处
理，误差积累，噪声逐级放大，整个系
统信噪比指标下降；
对于 数字系统,仅受 A/D转换的量化误差
及系统有限字长影响，处理过程中不会
产生其他噪声。
所以,数字信号处理的信号 -噪声比高。
数字信号处理的信号 -噪声比高
数字信号处理对比模拟信号处理的优势
数字信号处理系统的性能具有确定性、
可预见性和可重复性，稳定性好；
这是由数字器件相比模拟器件的高精度
及高稳定度决定的。
数字信号处理对比模拟信号处理的优势
数字信号处理系统的灵活性强（可程
控），易于实现自适应算法；
数字信号处理系统易于实现大规模集成，
处理能力更加强大。
时域处理和频域处理
时域处理：波形分析，示波器；
频域处理：频谱分析，频谱仪。
例如，在雷达信号处理中，通过波形分
析，从信号的回波时间可得到目标的距
离信息（时域处理）；通过分析多普勒
频移，可得到目标的速度信息。
频域和时域处理主要包括的内容
谱分析、谱估计
滤波
采样数据的抽取和内插
信号的相关分析
Real-time Processing—— 实时处理
非实时处理，离线或脱机（ off-line），
即将要处理的信号先存储下来，再进行
处理，如卫星遥感所得图象是返回地面
作脱机处理；
实时处理，在线或联机（ on-line），即
将采样设备和处理设备联在一起的系统，
对信号边采样边处理，立即得到结果。
实时处理的要求
要求处理系统的速度足够快，数据吞吐能力足
够大，以保证数据不至出现堵塞。
DSP技术发展的早期，实时处理是很困难的。
随着大规模集成电路技术及算法的不断发展，
使实时数字信号处理成为现实，并在雷达、通
信等领域更广泛地应用。
对于数字信号处理系统，如果它的实时性满足
联机处理要求，就称为实时数字信号处理系统。
实时数字信号处理系统框图
模拟输入信号
低通
滤波
采样 /保持
A/D
DSP
D/A
低通
滤波
模拟信号输出
(1) (2) (3)
抗混叠滤波器
由奈奎斯特采样定理，为了采样后真实
地保留原始模拟信号信息，采样率必须
至少为信号最高频率 fmax的 2倍；
否则，为 欠采样,会产生混叠，即混入
新的频率成分，除少数应用中利用欠采
样故意产生混叠之外，在大多数情况，
必须采样之前消除混叠；
抗混叠滤波器
其 基本方法 是使用一个 低通滤波器 （抗
混叠滤波器），在采样前滤掉原有信号
中高于 fmax的频率成分，再选取高于 2fmax
的采样频率进行采样。
过采样,采用较高采样率，达到所处理
信号频率上限的 3~4倍甚至更高，可得到
更高的信号质量，但实现难度大，不宜
实时处理。
采样 /保持电路
在 A/D转换过程中，如果模拟量变化，将
直接影响转换精度。
采样 /保持的输出在采样周期内跟踪电压
输入，并在保持周期把它保持在最后跟
踪的模拟电压值。（见图）
A/D变换
采样 +二进制量化
连续信号
（模拟信号）
采样器
离散信号
（时间离散，幅度连续）
二进制量化
数字信号
量化误差及 A/D有效位数
n位 A/D，量化级数为 2n,位数越高，量化
级数越多，量化误差（量化噪声）越小。
A/D有效位数是 A/D设计的重要指标。
量化误差及 A/D有效位数
经典公式,
S/N=6.02n+4.77 dB
说明：有效位数每增加一位,S/N提高
约 6dB。可由此式反推计算 A/D的有
效位数。
例,n=12,S/N=70 dB
注意,
A/D位数的提高，系统成本也会大大提高，
并且，输入信号本身带有噪声，当量化
噪声小于信号本身所带噪声时，再提高
A/D的位数已无意义。
所以,A/D位数并非越高约好。
注意,
在输入信号满度电压的范围内，大信号
时信噪比优于小信号，但不应超过满刻
度，以免被限幅而失真。
所以，可通过增益可调放大器，使输入
信号尽可能接近满度，以改善信噪比。
