医学信号处理：0.绪论－2学时.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,医学信号处理,Digital Signal Processing(DSP),2,教科书,数字信号处理教程,(,第四版）,数字信号处理习题解答,3,参考书,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,王世一,北京理工大学出版社,3.,数字信号处理,丁玉美,西安电子科技大学出版社,4,本课程的目的,学好掌握本课程的主要内容,为部分同学考研做好基础,为今后的科研工作打下一个良好的基础,5,讲授内容,1.,绪 论：,DSP,的发展和应用,2,学时,2.,第一章：,离散时间信号与系统,6,学时,3.,第二章,:,Z,变换,6,学时,4.,第三章：,离散付里叶变换,DFT,12+4,学时,5.,第四章：,快速付里叶变换,FFT,8,学时,6.,第五章：,数字滤波器,(,DF),的结构和实现方法,4,学时,7.,第六章：,无限长单位脉冲响应,IIR,数字滤波器设计,10,学时,8.,第七章：,有限长单位冲激响应,FIR,滤波器的设计,8,学时,9.,第八章：,数字信号处理中的有限字长效应,2,学时,6,绪 论,7,一、数字信号处理（,DSP,）,（,Digital signal processing),数字信号处理,:,是,20,世纪,60,年代，随着信息学科和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。,数字信号处理：,是把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数字的数值计算方法处理,（例如：滤波、变换、增强、估计、识别等），,达到提取有用信息便于应用的目的。,8,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,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。,9,二、信号、系统和信号处理,1.,信号,(,复习,),信号是一种物理体现。在信号处理领域中，,信号被定义为一个随机变化的物理量。,例如：为了便于处理，通常都使用传感器把这些真实世界的物理信号,-,电信号，经处理的电信号,-,传感器,-,真实世界的物理信号。,如现实生活中最常见的传感器是话筒、扬声器。,话筒,(,将声压变化,)-,电压信号,-,空气压力信号,(,扬声器,),10,（,1,）信号的最基本的参数,频率和幅度,3-30kHz:Very low frequency VLF(,潜水艇导航,),甚低频,30-300,kHz:Low frequency LF(,潜水艇,通信,),低频,3003000,kHz:Medium frequency(,调幅广播)中频,3-30,MHz:High frequency(HF)(,无线电爱好者，国际广播，军事通信 无绳电话，电报，传真)高频,30-300,MHz:Very High frequency(VHF)(,调频FM，甚高频电视),0.33,GHz:Ultra high frequency(UHF)(UHF,电视，蜂窝电话，雷达，微波，个人通信,),超高频,频率低,20,Hz,范围，称为次声波，它不能被听到，当强度足够大，能被感觉到。,(,处于,VLF Very low frequency),甚低频,频率,20,Hz,20KHz,称为声波，,Low frequency(,处于,LF),低频,频率20,KHz,称为超声波，具有方向性，可以成束(处于,LF),11,（,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,12,(a),一维信号、二维信号、矢量信号,信号的变量可以是时间，频率、空间或其他的物理量。,若信号是一个变量,(,如时间,),的函数，称一维信号；,若信号是两个变量,(,空间坐标,x,y),的函数，称为二维信号；,推广：若信号是多个（例如M个，M,2）变量的函数，则称为多维（M维）信号。,若信号表示成M维的矢量,x=x,1,(n),x,2,(n),x,M,(n),.,(式中,为转置，n为时间变量），则称为x是一个M维的矢量信号。,13,(b),周期信号和非周期信号,若信号满足：,x(t)=x(t+kT),k,为正整数；,或,x(n)=x(n+kN),k,N皆为正整数，,n+kN为任意整数，,则x(t)和x(n)都是周期信号，周期分别为T和N；,否则就是非周期信号。,14,(c),确定性信号和随机信号,确定性信号：,若信号在任意时刻的取值能精确确定，则称它为确定信号；它的一个值可以用有限个参量来唯一地加以描述。,例：正弦波信号：,可用幅度、频率和相位三个参量来描述。,阶跃信号：,可用幅度和时间两个参量描述。,随机信号：,若信号在任意时刻的取值不能精确确定，或说取值是随机的，即它不能用有限的参量加以描述。也无法对它的未来值确定性地预测。它只能通过统计学的方法来描述。,例：,许多自然现象所发生的信号、语音信号、图象信号、噪声都是随机信号。它们具有幅度,(,能量,),随机性、或具有发生时间上的随机性或二都兼有之。,15,（,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,16,信号功率P可表示为,周期信号及随机信号一定是功率信号；,非周期的,绝对可积,(,和,),信号一定,是能量信号,。,17,(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。,时间取值方式可分为连续时间与离散时间两种。,信号幅值的取值方式可分为连续与离散两种方式（幅值的离散称之为量化）。,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：,离散时间信号时间离散，幅值可以连续也可以离散。,（若离散时间信号的幅值连续，则为抽样信号。若离散时间信号幅值离散，则为数字信号。）,18,(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数表示，而每个数又可表示为二制码的形式,。,x(t),t,x(t,n,),t,n,x(n),n,采样,模数,保持,转换,19,2,、系统,(,复习,),系统：,处理信号的物理设备。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。,系统分类：,大小之分，一个大系统可细分为若干个小系统。,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。,20,（,1,）系统分类,按所处理的信号种类的不同可将系统分为四类：,（,a,）,连续时间系统,（,b,）,离散时间系统,（c）,模拟系统,（d）数字系统,21,（,a,）,连续时间系统,连续时间系统：,处理连续时间信号。系统输入、,输出均为连续时间信号。,（,b,）,离散时间系统,离散时间系统：,处理离散时间信号（序列）。系,统输入、输出均为离散时间信号。,（,c,）模拟,系统,模拟系统：,处理模拟信号。系统输入、输出均为,连续时间连续幅度的模拟信号。,（,d,）数字,系统,数字系统：,处理数字信号。系统输入、输出均为,数字信号。,以上系统可以是线性的或非线性的，时不变或时变的。,22,3,、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),23,三、数字信号处理系统的基本组成,以下所讨论的是模拟信号的数字信号处理系统,.,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,x,a,(t),PrF,ADC,DSP,DAC,PoF,模拟,y,a,(t),x(n),y(n),24,(1),前置滤波器,将输入信号,x,a,(t),中高于某一频率,(,称折叠频率，等于抽样频率的一半,),的分量加以滤除。,t,x,a,(t),0,25,(2),A/D,变换器,由模拟信号产生数字信号（一个二进制流）。其有两个过程：,抽样和保持。,抽样：,每隔,T,秒,(,抽样周期,),取出一次,x,a,(t),的幅度，此信号称为离散信号,.,它只表示时间点,0,T,2T,nT,上的值x,a,(0),x,a,(T),x,a,(2T),x,a,(nT),。,保持：,在保持电路中将抽样信号变换成数字信号，因为一般采用有限位二进制码，所以它所表示的信号幅度就是有一定限制的。,经过A/D变换器后，不但时间离散化了，幅度也量化了，这种信号称为数字信号。用x(n)表示。,26,例子,如,4,位码，只能表示,2,4,=16,种不同的信号幅度，这些幅度称为量化电平。,当离散时间信号幅度与量化电平不相同时，就要以最接近的一个量化电平来近似它。,所以经过,A/D,变换器后,不但时间离散化了，而且幅度也量化了，产生一个二进制流。,27,t,0,x,a,(t),0,x(n),的二进,制数,量化,0011,0110,0011,0110,0111,0010,1100,1001,1001,0010,抽样,n,x(n),n,0011,0,28,(3),数字信号处理器,(,DSP),按照预定要求，在处理器中将信号序列,x(n),进行加工处理得到输出信号,y,(n).,n,y(n),29,(4)D/A,变换器,经过,D/A,变换器，将数字信号序列反过来变换成模拟信号，这些信号在时间点0,T,2T,nT,上的幅度应等于序列y(n)中相应数码所代表的数值大小。,即由一个进制流产生一个阶梯波形,是形成模拟信号的第一步。,30,(5),后置滤波器,把阶梯波形平滑成预期的模拟信号。,以滤除掉不需要的高频分量，生成所需的模拟信号,y,a,(t).,t,y,a,(t),31,实际数字信号处理系统,实际系统并不一定要包括它的所有框图。,如有些系统只需数字输出，可直接以数字形式显示或打印,就不需要,D/A,变换器；,另一些系统的输入就是数字量，因而就不需要,A/D,变换器；,纯数字系统则只需要数字信号处理器这一核心即可。,32,四、数字信号处理的学科概貌,1.,数字信号处理开端,在国际上一般把,1965,年由,Cooley-Turkey,提出快速付里叶变换,(,FFT),的问世，作为数字信号处理这一学科的开端。,而它的历史可以追溯到,17,世纪,-18,世纪，也即牛顿和高斯的时代。,33,2.,数字信号处理领域的理论基础,数字信号处理的基本工具：微积分，概率统计，随机过程，高等代数，数值分析，近代代数，复杂函数。,数字信号处理的理论基础：离散线性变换,(,LSI),系统理论，离散付里叶变换,(,DFT),。,34,3.,数字信号处理学科内容,数字信号处理学科包含有：,（,1,）离散时间线性时不变系统分析,（,2,）离散时间信号时域及频域分析、离散付里叶变换（,DFT,）,理论。,（3）信号的采集，包括A/D,D/A技术，抽样，多率抽样，量化噪声理论等。,（4）数字滤波技术,（5）谱分析与快速付里叶变换（FFT），快速卷积与相关算法。,（6）自适应信号处理,35,（7）估计理论，包括功率谱估计及相关函数估计等。,（8）信号的压缩，包括语音信号与图象信号的压缩,（9）信号的建模，包括AR，MA，ARMA，CAPON，PRONY等各种模型。,（10,),其他特殊算法（同态处理、抽取与内插、信号重建等）,（11,),数字信号处理的实现。,（12,),数字信号处理的应用。,36,五、数字信号处理的实现,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，其能达到实时控制，但数据运算量不能太大。,37,3.,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,38,六、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,、灵活性大,3,、可靠性高,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,39,1.,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.,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。,40,3.,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。,41,4.,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。,42,5.,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,43,6.,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,10,Hz,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,-3,Hz,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。,44,7.,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。,45,七、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。,数字信号处理大致可分为：,信号分析,信号滤波,46,1.,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,谱估计就是对各种信号进行频谱分析,或将时,间域信号转换为频率域信号进行处理。,语音分析,说话人识别,目标检测,47,2.,信号滤波,数字滤波就是在形形色色的信号中提取所需要的信号,抑制不需要的信号或干扰信号。,滤波器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，因此在电子系统中各种各样的滤波器应用很多。,应用于：,滤除不需要的背景噪声，去除干扰、频带分割，信号谱的成形。,所以它广泛地应用于数字通信，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。,48,应用举例,语音处理：,在语音领域现存在着三种系统：,语音分析系统：,(,自动语音识别系统，它能识别语音，辨认说话的人是谁，而且破译后，能立即作出决断。,语音综合系统：,盲人的自动阅读机，声音响应的计算机终端，会说话玩具，家用电器,(,CD,VCD,DVD),。,语音分析综合系统：,语音存储和检索系统。,49,应用举例,生物医学信号处理,CT/CAT,CT,：计算机,X,射线断层摄影装置。其中头颅,CT,英国,EMI,公司豪斯菲尔德获诺贝尔奖。,CAT:,计算机,X,射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建。,50,滤波,选频滤波,e.g.:,多正弦信号：,51,图象处理,:,边沿检测,52,DSP Solution,53,Mobile phone,54,The handset is not only used for voice communication,55,ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line),56,Digital Camera,57,HDTV-High Definition TV,58,PDP(Plasma Display)TV,59,Home Theater,60,DVD(Digital Video Disc),61,Simulator of airplane,62,GPS(Global Position System),63,Radar/Sonar,64,Cruise missile&Smart bomb,65,Pattern recognition,66,Fingerprint distinguish,67,八、,DSP,技术的发展方向,DSP,技术的发展趋势，可用四个字,“,多快好省,”,来概括。,1.多。,从广度和深度看，DSP的型号越来越多。,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。,