數(shù)字信號(hào)處理課程的發(fā)展歷程及展望.ppt

數(shù)字信號(hào)處理課程的發(fā)展歷程及展望,數(shù)字信號(hào)處理起源于十八世紀(jì)的數(shù)學(xué)，隨著信息科學(xué)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的理論與應(yīng)用得到迅速發(fā)展，形成一門極其重要的學(xué)科。當(dāng)今數(shù)字信號(hào)處理的理論和方法已得到長足的發(fā)展，成為數(shù)字化時(shí)代的重要支撐，其在各個(gè)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有悠久的歷史，已經(jīng)滲透到我們生活和工作的各個(gè)方面。,歷史沿革,信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)工程、地震學(xué)、聲納、雷達(dá)、通信、控制等領(lǐng)域都日益顯示其重要作用。例如在醫(yī)學(xué)信號(hào)或地震信號(hào)分析中，我們需要提取某些重要的特征參數(shù)，在雷達(dá)和通信信號(hào)處理中，我們希望剔除信號(hào)中的噪聲或干擾。 ,歷史沿革,20世紀(jì)80年代中后期，我國開設(shè)數(shù)字信號(hào)處理課程的高校不斷增加，一些重點(diǎn)大學(xué)為某些專業(yè)本科生開設(shè)此課，課程教學(xué)內(nèi)容主要以原理闡述與算法推導(dǎo)為主。國內(nèi)出版的教材也相應(yīng)增加。 西安交通大學(xué)，鄒理和數(shù)字信號(hào)處理,1985 北京交通大學(xué)，吳湘淇數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及應(yīng)用,1986 北京理工大學(xué)，王世一數(shù)字信號(hào)處理,1987 ,歷史沿革,20世紀(jì)90年代初期，開設(shè)本科生數(shù)字信號(hào)處理課程的高校數(shù)量大增，已成為許多高校本科生的必修課，大量面向本科教學(xué)的數(shù)字信號(hào)處理教材問世。 西電丁玉美編著的數(shù)字信號(hào)處理,1994 清華大學(xué)程佩清編著的數(shù)字信號(hào)處理教程,1994 北交大吳湘淇編著的信號(hào)、系統(tǒng)和信號(hào)處理,1996 課程內(nèi)容中增加了利用Fortran、C等高級(jí)語言進(jìn)行算法仿真與實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。,歷史沿革,從20世紀(jì)90年代末以來，數(shù)字信號(hào)處理課程幾乎在國內(nèi)所有大學(xué)的電氣信息類等學(xué)科專業(yè)的本科生和研究生中開設(shè)，且是本科生的必修課和研究生的學(xué)位課。面向本科教學(xué)的數(shù)字信號(hào)處理教材大幅增加。 吳鎮(zhèn)楊編著的數(shù)字信號(hào)處理(十五規(guī)劃)，高等教育出版社，2003 陳后金編著的數(shù)字信號(hào)處理(十五規(guī)劃)，高等教育出版社，2004 增加了近代信號(hào)處理的理論和方法，并將Matlab與數(shù)字信號(hào)處理有機(jī)結(jié)合，作為信號(hào)處理的仿真分析手段，從而將理論分析與計(jì)算機(jī)仿真融為一體。,歷史沿革,某些院校雖然沒有單獨(dú)開設(shè)數(shù)字信號(hào)處理課程，但在信號(hào)與系統(tǒng)課程中增加離散傅里葉變換DFT，快速傅里葉變換FFT，IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等內(nèi)容。相應(yīng)的教材也相繼出版，如清華大學(xué)鄭君里教授編著的信號(hào)與系統(tǒng)(第2版)（上下冊(cè)），高等教育出版社，2000。東南大學(xué)管致中教授編著的信號(hào)與系統(tǒng)(第4版)（上下冊(cè)），高等教育出版社，2004。,歷史沿革,在DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)方面，90年代后期，美國德州儀器公司先后與我國100多所高校聯(lián)合建立DSP系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，用于本科生和研究生的DSP實(shí)踐教學(xué)。 近年來，由于各級(jí)電氣信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的推動(dòng)，大批高校紛紛擴(kuò)建DSP實(shí)驗(yàn)室，為本科生開設(shè)DSP方面軟件分析與硬件實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。目前DSP技術(shù)已成為學(xué)生就業(yè)和開展科研工作的基本技能。,歷史沿革,掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本理論 時(shí)域與變換域分析理論，抽樣定理，譜估計(jì)理論 掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本方法 數(shù)字化分析方法，濾波器設(shè)計(jì)方法，快速算法 掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本技術(shù) DSP軟件仿真分析技術(shù)，DSP系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用技術(shù) 提高應(yīng)用DSP理論和技術(shù)解決問題的實(shí)踐能力 學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用，工程實(shí)際應(yīng)用，綜合交叉應(yīng)用,學(xué)習(xí)目標(biāo),課程體系,信號(hào)處理課群主要包含“信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、DSP技術(shù)及應(yīng)用、信號(hào)分析與處理實(shí)驗(yàn)、 DSP系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”等相關(guān)課程。 數(shù)字信號(hào)處理課程體系經(jīng)歷了不斷豐富發(fā)展的過程，并日臻完善。課程體系主要由信號(hào)分析與處理，以及離散系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成。通過對(duì)近年來我國數(shù)字信號(hào)處理教材的分析，可將該課程教學(xué)內(nèi)容歸結(jié)為經(jīng)典內(nèi)容和近代內(nèi)容。,課程體系,經(jīng)典內(nèi)容：,課程體系,在介紹數(shù)字信號(hào)處理的理論和方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行基于DSP系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。部分院校開設(shè)了DSP技術(shù)課程，側(cè)重介紹DSP系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)等。 目前，信號(hào)處理課群體系正逐步成熟，并得到國內(nèi)高校的認(rèn)可，其體現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，體現(xiàn)了原理、方法和技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。,課程體系,課程體系,1. 連續(xù)時(shí)間信號(hào)(周期為T0),2. 連續(xù)時(shí)間非周期信號(hào),3. 離散非周期信號(hào),4. 離散周期信號(hào)(周期為N),四種信號(hào)的頻譜,從信號(hào)表示的角度引入Fourier變換 （數(shù)學(xué)概念），其性質(zhì)揭示了信號(hào)時(shí)域與頻域 之間的內(nèi)在聯(lián)系（物理概念）。,抽樣定理如何引入與論證？,什么是信號(hào)抽樣? 為什么進(jìn)行抽樣? 抽樣定理的理論推導(dǎo) 抽樣定理內(nèi)容及其應(yīng)用,體現(xiàn)信號(hào)的時(shí)域與頻域之間 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從信號(hào)頻域分析應(yīng)用 的角度展開,若連續(xù)信號(hào)x(t)與離散序列xk 時(shí)域關(guān)系為,其中： T 為抽樣間隔，wsam=2p /T為抽樣角頻率,則兩者在頻域存在以下關(guān)系,抽樣定理的內(nèi)涵,核心：信號(hào)時(shí)域的離散化導(dǎo)致其頻域的周期化,帶限信號(hào)抽樣定理的描述,對(duì)于帶限信號(hào)x(t) ，信號(hào)時(shí)域抽樣定理可描述為,fsam= 2fm 為最小抽樣頻率，稱為Nyquist Rate.,若抽樣間隔T滿足下列約束條件，則可由抽樣序列表示原連續(xù)信號(hào)。,fsam 2fm （或sam 2 m）,fm為信號(hào)最高頻率,如何看待DFT的作用?,信號(hào)的Fourier變換從理論上 解決了如何從時(shí)域映射到頻域。 而DFT解決了利用數(shù)字化方法 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜分析！,DFT分析信號(hào)頻譜的基本思想,利用信號(hào)Fourier變換具有的信號(hào)時(shí)域與頻域之間的內(nèi)在關(guān)系，建立信號(hào)的DFT與四種信號(hào)頻譜之間的關(guān)系。,時(shí)域的離散化,時(shí)域的周期化,頻域周期化,頻域離散化,時(shí)域抽樣定理,頻域抽樣定理,時(shí)域抽樣定理和頻域抽樣定理為DFT奠定了理論基礎(chǔ),如何看待DFT的作用?,如何學(xué)習(xí)FFT算法?,介紹FFT算法的重要作用 介紹FFT算法的基本思想,DFT解決了利用數(shù)字化方法實(shí)現(xiàn) 信號(hào)的頻譜分析。 但DFT計(jì)算效率極其低， 無法滿足實(shí)時(shí)性的要求。 FFT解決了DFT計(jì)算的有效性， 為DFT的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路。,FFT算法的基本思想,1. 將長序列DFT分解為短序列的DFT,在由短序列的DFT表示長序列的DFT過程中, 利用旋轉(zhuǎn)因子 的周期性、對(duì)稱性、可約性。,如何學(xué)習(xí)FFT算法?,基2時(shí)間抽取FFT算法的基本關(guān)系,基3時(shí)間抽取FFT算法的基本關(guān)系,基4時(shí)間抽取FFT算法的基本關(guān)系,利用FFT算法的思想， 從具體到一般， 為學(xué)習(xí)其他快速算法,如何學(xué)習(xí)FFT算法?,如何學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)？,利用系統(tǒng)的頻域分析和系統(tǒng)函數(shù)的基本理論，根據(jù)IIR和FIR數(shù)字濾波器的特性和系統(tǒng)函數(shù)的特點(diǎn)，介紹IIR和FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的基本方法，以及它們的適用范圍。,基于模擬濾波器設(shè)計(jì) IIR數(shù)字濾波器 （BW，CB，C型AF的引入） 基于線性相位約束條件設(shè)計(jì) FIR數(shù)字濾波器 （窗口法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法）,IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的基本方法,wp,ws,H(s),頻率 變換,設(shè)計(jì)原型 低通濾波器,復(fù)頻率 變換,BW，CB，C三個(gè)低通模板,如何學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)？,如何理解信號(hào)的時(shí)頻分析和小波變換？,從信號(hào)小波(wavelet)變換的應(yīng)用展現(xiàn)信號(hào) 時(shí)頻分析的魅力。,從信號(hào)表示的角度闡述信號(hào)時(shí)頻分析的數(shù)學(xué) 概念、物理概念、工程概念。,從信號(hào)的Fourier變換、信號(hào)的短時(shí)Fourier 變換的不足，引入信號(hào)的Wavelet變換。,