數(shù)字信號(hào)處理digitalsignalprocessing主講教師胡廣書

1、數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing),國家電工電子實(shí)驗(yàn)示范中心 數(shù)字信號(hào)處理課程組,（一）信號(hào)（二）數(shù)字信號(hào)（三）數(shù)字信號(hào)處理 1 數(shù)字信號(hào)處理的任務(wù) 2 數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢 3 數(shù)字信號(hào)處理的理論 4 數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn) 5 數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用

2、 6 關(guān)于數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)習(xí),關(guān)于數(shù)字信號(hào)處理,什么是DSP?,Digital Signal Processing (DSP) 一門新的學(xué)科Digital Signal Processor (DSP) 數(shù)字信號(hào)處理器: DSPs,一門正在蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)學(xué)科,,,信號(hào)？,數(shù)字信號(hào)？,數(shù)字信號(hào)處理？,信號(hào)是信息（Information)的載體 ，即信息包含在信號(hào)中。

3、 信號(hào)，特別是一維信號(hào)，多是時(shí)間 的函數(shù)，即,（一） 信號(hào),,連續(xù)時(shí)間信號(hào)，又稱模擬信號(hào)（Analog Signal),常見信號(hào)： 電壓，電流，磁通；溫度，壓力， 壓強(qiáng)；光，機(jī)械振動(dòng)； 價(jià)格，經(jīng)濟(jì)指數(shù)，股市指數(shù)； 流量，水位，潮位；

4、人體生理信號(hào) 等等,常見人體生理信號(hào) （生物醫(yī)學(xué)信號(hào)）,ECG(心電)EEG(腦電)EOG(眼電)EMG(肌電)PCG(心音),要求：準(zhǔn)確檢測R波，>99％ 準(zhǔn)確檢測 P,Q,S,T等波， &

5、gt;90% 準(zhǔn)確測量 P－Q間期， QRS寬度， S-T段形態(tài),不同心臟病人的心電圖,腦電信號(hào),胎兒心電信號(hào),腦電（EEG）的節(jié)律（即主要頻率）：,節(jié)律：<4Hz 的成分；,節(jié)律：4Hz～8Hz 的成分；,節(jié)律：8Hz～13Hz 的成分；,節(jié)律：>13Hz 的成分。,（深睡）,（淺睡）,（清醒）,（受刺激或思考）,火車鳴笛信號(hào),二維信號(hào)：視頻信號(hào)：,,作用：將非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

6、 轉(zhuǎn)化后的信號(hào)是連續(xù)時(shí)域模擬 （Analog)信號(hào), 可以用 表示。 模擬信號(hào)產(chǎn)生、處理和傳輸所使用 的器件是: R, L, C, OP(運(yùn)算放大器) 缺點(diǎn): 體積大, 精度低，不靈活,傳感器 (sensor),（二）數(shù)字信號(hào),流程圖,,,,,,,,,,,

7、,,例: A/D 8bit 5V,00000000 0V,00000001 20mV,00000010 40mV,29mV,31mV,,A/D芯片已高度集成化，將這些芯片配以一些必要的外圍電路可做成不同的A/D板（又稱數(shù)據(jù)采集板）。將A/D板插入普通計(jì)算機(jī)（如PC）的擴(kuò)展槽中，配以相應(yīng)的軟件即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的抽樣。A/D芯片有兩個(gè)主要的參數(shù)，一是字長，二是轉(zhuǎn)換速度?，F(xiàn)在市售的A/D芯片的字長有

8、8bit，10bit，12bit及14bit，字長越長，量化誤差越小，自然，轉(zhuǎn)換的精度就越高。轉(zhuǎn)換速度決定了其A/D芯片的最大抽樣速度，目前市售的A/D芯片的抽樣速度可由幾十千赫至幾百兆赫。當(dāng)然，字長越長，速度越高，其售價(jià)也越貴，使用者應(yīng)視實(shí)際需要選用。,以PC或?qū)Ｓ肈SP裝置為硬件平臺(tái), 以數(shù)值分析為基本工具, 發(fā)展眾多的信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)信號(hào)自身的提取或是信號(hào)有用特征( 幅度, 周期, 持續(xù)時(shí)間, 過零點(diǎn)個(gè)數(shù), 上升時(shí)間, 下降時(shí)間

9、, 自相關(guān)函數(shù), 功率譜)的提取, 以達(dá)到認(rèn)識(shí)信號(hào), 利用信號(hào)的目的。,（三） 數(shù)字信號(hào)處理,任務(wù)：從信號(hào)中提取出所需要的信息，并將其用于實(shí)際 。,1. 數(shù)字信號(hào)處理的任務(wù),用于危重病房（intensive care unit，ICU）的心電自動(dòng)監(jiān)護(hù)儀的作用是監(jiān)護(hù)病人的心電狀態(tài)（同時(shí)也包括其他生理參數(shù)，如血壓、呼吸等），它應(yīng)能實(shí)時(shí)地顯示和存儲(chǔ)病人的心電波形，并根據(jù)心電圖的異常來自動(dòng)決定是否給出報(bào)警。一個(gè)實(shí)際的心電監(jiān)護(hù)儀由心電放大器、

10、A/D 轉(zhuǎn)換器、CPU、顯示單元、存儲(chǔ)單元、系統(tǒng)管理軟件和心電信號(hào)處理軟件所組成。,心電處理軟件的功能： （1） 在CPU的控制下實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集、顯 示和存儲(chǔ)；,（2）去除噪聲： 在信號(hào)采集時(shí)，身體的任一微小運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生“基線漂移”，這是一種低頻干擾，同時(shí)，由于肌電的存在又產(chǎn)生了高頻的肌電噪聲，由于空間電磁場的存在又使心電信號(hào)中混有50Hz的工頻干擾。這些噪聲不去除，就會(huì)影響下一步的信號(hào)處理。,

11、帶有高頻噪聲及病態(tài)失真的心電信號(hào),（3）波形檢測（參數(shù)提取）：,R波檢測：要求>99％； P波檢測，T波檢測：幅度特別低，>90％； P-Q間期測量；S-T段形態(tài)檢測； QRS寬度檢測,（4）病類判別：根據(jù)檢測出的參數(shù)、心臟疾病的原 理和醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，建立起各種心律異常的數(shù)學(xué)模型并對(duì)心電信號(hào)做出判別，決定是否異常，如異常，又屬于哪一類異常。這一工作即是信號(hào)處理的應(yīng)用。 以上內(nèi)容雖然屬于

12、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的范疇，但從中可以看出數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容和任務(wù)。其他學(xué)科的信號(hào)處理過程和該問題類似，即大體上也包含了去噪、特征檢測（或提?。┖蛻?yīng)用于實(shí)際這三個(gè)方面。,2. 數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢:,（1）. 精度高 （2）. 可重復(fù)性強(qiáng)

13、 （3）. 體積小 （4）. 成本低

14、 （5）. 可編程：所以靈活性強(qiáng) （6）. 實(shí)時(shí)性(Real-time)強(qiáng),數(shù)學(xué): 微積分, 線性代數(shù), 概率, 隨機(jī)過程, 數(shù)論,

15、 近世代數(shù),現(xiàn)代通信原理、現(xiàn)代控制理論模式識(shí)別、最優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識(shí)、 振動(dòng)測試生物醫(yī)學(xué)工程,信號(hào)與系統(tǒng), 計(jì)算機(jī),,3. 數(shù)字信號(hào)處理的理論：,基礎(chǔ),,發(fā)展,1. 信號(hào)抽樣與采集理論;2. 信號(hào)分析理論: Z變換, 離散傅里葉變換(DFT) Hilbert 變換 離散余弦變換(DCT) 離散小波變換(DWT) 快速算法理論(F

16、FT),3. 離散系統(tǒng)分析; 4. 離散系統(tǒng)設(shè)計(jì)(濾波器設(shè)計(jì)); 5. 隨機(jī)信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析理論; 6. 信號(hào)建模(AR, MA,ARMA) ; 7. 特征估計(jì)(自相關(guān)函數(shù),功率譜計(jì)); 8. 實(shí)現(xiàn)(軟件--MATLAB; 硬件-- DSP); 9. 應(yīng)用,（教學(xué), 科研, 開發(fā)的前期）DSP軟件包MATLAB Signal Processing Tool

17、 Box,,4. 數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn),軟件實(shí)現(xiàn):,,TI產(chǎn)品系列,,DSP的特點(diǎn): 時(shí)鐘快；硬件乘法器（實(shí)現(xiàn)連乘連加）； 哈佛結(jié)構(gòu)；較多的寄存器， 等等,數(shù)字信號(hào)處理中最常用的算法是線性卷積和 DFT,其特點(diǎn)是大量的“連乘連加”運(yùn)算，如：,,5、數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用,DSP的應(yīng)用,耳背式,耳道式,耳內(nèi)式,完全耳內(nèi)式,心電 Holter,6. 關(guān)于數(shù)字信號(hào)處理的學(xué)習(xí),作為一門課程，學(xué)好數(shù)字信號(hào)處理和學(xué)好其他課程有著共同的要求。下

18、面是幾點(diǎn)特殊的要求： （1）特別要注意加深概念的理解，不要只停留在死記數(shù)學(xué)公式上； （2）通過應(yīng)用來加深理解和記憶； 特別希望大家在學(xué)習(xí)的過程中一定要重視利用MATLAB來完成實(shí)際的信號(hào)處理任務(wù)。 （3）打好基礎(chǔ)，循序漸進(jìn)； （4）盡可能多看一些國外的教科書及有關(guān)文獻(xiàn),[1] S J. Orfanids. Introduction to Signal Processing.

19、 1996; 清華大學(xué)出版社，1999 [2] S K Mitra. Digital Signal Processing: A Computer－ Based Approach . 2001， 清華大學(xué)出版社，2001 [3] Proakis J.G. Introduction to Digital

20、 Signal Processing. 1988,參考書,有關(guān)期刊,I EEE Trans. on Signal Processing;I EEE Trans. on Circuits and Systems;I EEE Trans. on Biomedical Engineering;Proc. of I EEE;Signal Processing;信號(hào)處理,衷心希望大家 喜歡 DS