數(shù)字信號處理課程的發(fā)展歷程及展望.ppt

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數(shù)字信號處理課程的發(fā)展歷程及展望,數(shù)字信號處理起源于十八世紀(jì)的數(shù)學(xué)，隨著信息科學(xué)和計算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理的理論與應(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)字信號處理的理論和方法已得到長足的發(fā)展，成為數(shù)字化時代的重要支撐，其在各個科學(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方面。,歷史沿革,信號處理在生物醫(yī)學(xué)工程、地震學(xué)、聲納、雷達、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)信號或地震信號分析中，我們需要提取某些重要的特征參數(shù)，在雷達和通信信號處理中，我們希望剔除信號中的噪聲或干擾。 ,歷史沿革,20世紀(jì)80年代中后期，我國開設(shè)數(shù)字信號處理課程的高校不斷增加，一些重點大學(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)字信號處理,1985 北京交通大學(xué)，吳湘淇數(shù)字信號處理技術(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)字信號處理教材問世。 西電丁玉美編著的數(shù)字信號處理,1994 清華大學(xué)程佩清編著的數(shù)字信號處理教程,1994 北交大吳湘淇編著的信號、系統(tǒng)和信號處理,1996 課程內(nèi)容中增加了利用Fortran、C等高級語言進行算法仿真與實現(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)字信號處理教材大幅增加。 吳鎮(zhèn)楊編著的數(shù)字信號處理(十五規(guī)劃)，高等教育出版社，2003 陳后金編著的數(shù)字信號處理(十五規(guī)劃)，高等教育出版社，2004 增加了近代信號處理的理論和方法，并將Matlab與數(shù)字信號處理有機結(jié)合，作為信號處理的仿真分析手段，從而將理論分析與計算機仿真融為一體。,歷史沿革,某些院校雖然沒有單獨開設(shè)數(shù)字信號處理課程，但在信號與系統(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，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器設(shè)計等內(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與系統(tǒng)(第2版)（上下冊），高等教育出版社，2000。東南大學(xué)管致中教授編著的信號與系統(tǒng)(第4版)（上下冊），高等教育出版社，2004。,歷史沿革,在DSP實驗平臺建設(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)實驗室，用于本科生和研究生的DSP實踐教學(xué)。 近年來，由于各級電氣信息類實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的推動，大批高校紛紛擴建DSP實驗室，為本科生開設(shè)DSP方面軟件分析與硬件實現(xiàn)實驗。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)字信號處理的基本理論 時域與變換域分析理論，抽樣定理，譜估計理論 掌握數(shù)字信號處理的基本方法 數(shù)字化分析方法，濾波器設(shè)計方法，快速算法 掌握數(shù)字信號處理的基本技術(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)解決問題的實踐能力 學(xué)科領(lǐng)域應(yīng)用，工程實際應(yīng)用，綜合交叉應(yīng)用,學(xué)習(xí)目標(biāo),課程體系,信號處理課群主要包含“信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、DSP技術(shù)及應(yīng)用、信號分析與處理實驗、 DSP系統(tǒng)課程設(shè)計”等相關(guān)課程。 數(shù)字信號處理課程體系經(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分析與處理，以及離散系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)成。通過對近年來我國數(shù)字信號處理教材的分析，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)字信號處理的理論和方法的基礎(chǔ)上，進行MATLAB仿真實驗，再進行基于DSP系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用實驗。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)了理論與實踐的有機結(jié)合，體現(xiàn)了原理、方法和技術(shù)的有機結(jié)合。,課程體系,課程體系,1. 連續(xù)時間信號(周期為T0),2. 連續(xù)時間非周期信號,3. 離散非周期信號,4. 離散周期信號(周期為N),四種信號的頻譜,從信號表示的角度引入Fourier變換 （數(shù)學(xué)概念），其性質(zhì)揭示了信號時域與頻域 之間的內(nèi)在聯(lián)系（物理概念）。,抽樣定理如何引入與論證？,什么是信號抽樣? 為什么進行抽樣? 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)信號的時域與頻域之間 的對應(yīng)關(guān)系，從信號頻域分析應(yīng)用 的角度展開,若連續(xù)信號x(t)與離散序列xk 時域關(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：信號時域的離散化導(dǎo)致其頻域的周期化,帶限信號抽樣定理的描述,對于帶限信號x(t) ，信號時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。,fsam 2fm （或sam 2 m）,fm為信號最高頻率,如何看待DFT的作用?,信號的Fourier變換從理論上 解決了如何從時域映射到頻域。 而DFT解決了利用數(shù)字化方法 實現(xiàn)信號的頻譜分析！,DFT分析信號頻譜的基本思想,利用信號Fourier變換具有的信號時域與頻域之間的內(nèi)在關(guān)系，建立信號的DFT與四種信號頻譜之間的關(guān)系。,時域的離散化,時域的周期化,頻域周期化,頻域離散化,時域抽樣定理,頻域抽樣定理,時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)字化方法實現(xiàn) 信號的頻譜分析。 但DFT計算效率極其低， 無法滿足實時性的要求。 FFT解決了DFT計算的有效性， 為DFT的實際應(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、對稱性、可約性。,如何學(xué)習(xí)FFT算法?,基2時間抽取FFT算法的基本關(guān)系,基3時間抽取FFT算法的基本關(guān)系,基4時間抽取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？,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，介紹IIR和FIR數(shù)字濾波器設(shè)計的基本方法，以及它們的適用范圍。,基于模擬濾波器設(shè)計 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 FIR數(shù)字濾波器 （窗口法和優(yōu)化設(shè)計方法）,IIR數(shù)字濾波器設(shè)計的基本方法,wp,ws,H(s),頻率 變換,設(shè)計原型 低通濾波器,復(fù)頻率 變換,BW，CB，C三個低通模板,如何學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的設(shè)計？,如何理解信號的時頻分析和小波變換？,從信號小波(wavelet)變換的應(yīng)用展現(xiàn)信號 時頻分析的魅力。,從信號表示的角度闡述信號時頻分析的數(shù)學(xué) 概念、物理概念、工程概念。,從信號的Fourier變換、信號的短時Fourier 變換的不足，引入信號的Wavelet變換。,