同济大学数字信号处理教程

数字信号处理是电子信息类专业同学很重要的一门专业基础课。

数字信号处理，英文全称为digital signal processing，也简称DSP。主要是用数值表示和处理的方法来研究信号的一门学科，数字信号在时间和幅度上都是离散(量化)的，现在的一些芯片，单片机、微处理器、计算机内部都是以数值来存储和运算的，与之相对应的模拟信号处理，二者都属于信号处理的范畴。现在数字信号处理器具有体积小、功耗低、精度高、可靠性高、灵活性大、易于大规模集成、可进行二维与多维处理等优点，已经逐步取代模拟信号处理器了。

关于教程

教程系统地讨论了数字信号处理的基础理论、基本概念、基本分析方法、算法、设计。课程包括四部分内容。第一部分是离散时间信号（序列）与系统的基本概念和时域、频域（包括z变换域）的分析方法与算法，包括离散傅里叶变换及其快速算法，模拟信号用数字信号处理的原理方法；第二部分为各种IIR及FIR数字滤波器的基本概念、理论、结构与设计方法；第三部分为多抽样率数字信号处理的基础理论；第四部分为数字信号处理实现中的有限字长效应。

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数据通信基本原理介绍，模拟信号和数字信号的传输过程

通信的目的就是传递信息。通信中产生和发送信息的一端叫作信源 ，接收信息的一端叫做信宿 ，信源和信宿之间的通信线路称为信道。信息在进入信道时要变换为适合信道传输的形式，在进入信宿时又要变换为适合信宿接收的形式。另外，信息在传输过程中可能会受到外界的干扰，把这种干扰称为噪声 。这样得到的数据通信系统基本模型如下图所示:

信源产生的信息有可能是模拟数据，也有可能是数字数据。模拟数据取连续值，而数字数据取离散值。在数据进入信道之前要变成适合传输的电磁信号，这些信号也可以是模拟的或数字的。

模拟信号是随时间连续变化的信号，这种信号的某种参量（如幅度、相位和频率等）可以表示要传送的信息。例如电话机送话器输出的话音信号、电视摄像机产生的图像信号等都是模拟信号。

数字信号只取有限个离散值，大多数数字信号在两个固定值之间振荡，而且数字信号之间的转换几乎是瞬时的，数字信号以某一瞬间的状态表示它们传送的信息。比如在计算机中，数字信号的大小常用有限位的二进制数表示，例如字长为2位的二进制数可表示4种大小的数字信号，它们是00、01、10和11。

如果信源产生的是模拟数据并以模拟信道传输，则叫做模拟通信；如果信源发出的是模拟数据以数字信号的形式传输，那么这种通信方式叫数字通信。如果信源发出的是数字数据，当然也有两种传输方式，这时无论是用模拟信号传输或是用数字信号传输都叫作数据通信。

模拟数据以模拟信号传输

模拟数据以模拟信号传输需要进行调制，此场景比较典型的是广播系统，它们使用的语音信号的频率（300Hz~3400Hz）都是一样的。如果每个广播的数据都不做任何处理，直接传送，各个电台发出的信号就会发生重叠和互相干扰，导致大家什么也听不清。所以需要先把语音模拟信号调制到分配给他的那个电台的频率，比如音乐台98.8Hz，听交通台91.2Hz等，这样把不同电台的语音信号调到不同的频段。这时在接收方（听众）会有一个解调过程，收音机调到某一电台的频率来接收指定的信号。

数字数据以模拟信号传输

在模拟信道中进行数字传输，必须先将数字信号转换为模拟信号，这个过程叫做数字调制。可以调制模拟载波信号的三个参数——幅度、频移和相移来表示数字数据。3种基本模拟调制方法如图所示：

此场景比如电信ADSL宽带接入，首先需要把计算机中的数字数据通过调制解调器(MODEM)转变成为模拟信号，然后才能在模拟信道上（比如电话网）进行传输，接收方在需要通过MODEM进行解调，将模拟信号恢复成原来的数字信号接收。

数字数据以数字信号传输

数字数据能够通过数字信号传输，这是目前计算机网络最广泛的运用。但是计算机的数字数据也并不适合直接在数字信道上进行传输，需要对信号进行编码以提升数据传输的效率和实现通讯双方的信号同步。在基带传输中，数字数据的数字信号编码主要有如下几种：

（1）单极性码： 只用正的或负的电压表示数据。例如：用+3V表示二进制数字“0”，用0V表示二进制数字“1”。

（2）极性码： 分别用正电压和负电压表示二进制数“0”和“1”。例如：+3V表示二进制数字“0”，用-3V表示二进制数字“1”。

（3）双极性码： 信号在3个电平（正、负、零）之间变化。典型的双极性码是信号交替反转编码AMI（Alternate Mark Inversion），它用零电平表示“0”，“1”则表示电平在正、负极间交替翻转。

（4）归零码： 码元中间的信号回归到零电平，“0”表示由正极到零电平，“1”表示由负极到零电平。

（5）双相码： 双相码要求每一位都有一个电平转换，一高一低，必须翻转。低到高代表“0”，高到低代表“1”。

（6）不归零码： 码元信号不回归零电平，出现“1”时电平翻转，“0”时不翻转。也叫差分码。

（7）曼彻斯特编码： 是一种双相码。在每个比特中间均有一个跳变，第一个编码自定义，比如用高电平到低电平的跳变代表“0”，由低电平向高电平的跳变代表“1”。曼彻斯特编码用在以太网中。

（8）差分曼彻斯特编码： 也是一种双相码。数据的表示在于每一位开始处是否有电平转换，有电平转换表示“0”，无电平转换表示“1”。差分曼彻斯特编码用在令牌环网中。

模拟数据以数字信号传输

把模拟数据转化成数字信号，需使用叫做编码解码器（Codec）的设备。这种设备的作用和调制解调器的作用相反。用编码解码器把模拟数据变换为数字信号的过程叫模拟数据的数字化，常用的数字化技术为脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）。例如：电话网络，它的远程的程控交换机之间使用光纤连接，使用数字的通信技术，由于用户的话机到本地回路这一段传送的是模拟信号，这时就需要进行语音的数字化处理，使模拟信号能够在数字信道上传输。就是需要经过编码解码器完成从模拟数据到数字数据的数字信号的编码，模拟信号经过采样、量化、编码等一系列的动作最终转化成一串0和1组成的数字信号。而在接收方有一个解码器再将数字信号转换成模拟信号进行接收。

以上就是数据通信基本原理的一些简单介绍了~

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