信號分析與處理1信號概述

1、1信號分析與處理信號分析與處理第一章第一章 信信 號號 概概 論論基本內(nèi)容基本內(nèi)容信息、信號信息、信號信號分類信號分類信號分析、信號處理信號分析、信號處理信號處理系統(tǒng)信號處理系統(tǒng)21.1 1.1 信號信號 追溯到遠(yuǎn)古時代，鑒于信使走得太慢，人們就用追溯到遠(yuǎn)古時代，鑒于信使走得太慢，人們就用煙火信號和鼓聲來傳送情報。差不多就在這個時候，人煙火信號和鼓聲來傳送情報。差不多就在這個時候，人們開始普遍用們開始普遍用“信號信號”這個詞來表示這個詞來表示專門為了傳送警報、專門為了傳送警報、指示或情報所給出的，為人們的視覺或聽覺所能感覺到指示或情報所給出的，為人們的視覺或聽覺所能感覺到的一種符號或通告。的一

2、種符號或通告。 煙火信號傳送情報煙火信號傳送情報3十九世紀(jì)初，人們開始研究如何利用十九世紀(jì)初，人們開始研究如何利用電信號電信號傳送消傳送消息。息。年由塞繆爾年由塞繆爾 莫爾斯莫爾斯（Samuel Morse)發(fā)明的發(fā)明的著名通信編碼和電報的研制成功大大提高了傳送信息的著名通信編碼和電報的研制成功大大提高了傳送信息的速度和可靠性，并使通信在除了戰(zhàn)爭和防御以外的其他速度和可靠性，并使通信在除了戰(zhàn)爭和防御以外的其他方面都獲得了廣泛的應(yīng)用。方面都獲得了廣泛的應(yīng)用。 年貝爾年貝爾(Bell)發(fā)明了電話，直接將聲音轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)明了電話，直接將聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栄貙?dǎo)線傳送。十九世紀(jì)末，人們又致力于研究用電信號沿導(dǎo)

3、線傳送。十九世紀(jì)末，人們又致力于研究用電磁波傳送無線電信號。為實(shí)現(xiàn)這一理想，赫茲、波波電磁波傳送無線電信號。為實(shí)現(xiàn)這一理想，赫茲、波波夫、馬克尼等人分別作出貢獻(xiàn)。夫、馬克尼等人分別作出貢獻(xiàn)。年馬克尼成功年馬克尼成功地地實(shí)現(xiàn)了橫渡大西洋的無線電通信。從此，傳輸電信號的實(shí)現(xiàn)了橫渡大西洋的無線電通信。從此，傳輸電信號的通信方式得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。通信方式得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。4 信號可以定義為一個傳載信息的物理量函數(shù)。信號可以定義為一個傳載信息的物理量函數(shù)。 廣義地說一切運(yùn)動或狀態(tài)的變化都是一種信號。通廣義地說一切運(yùn)動或狀態(tài)的變化都是一種信號。通常把常把語言、文字、圖象或數(shù)據(jù)語言、文字、圖象或

4、數(shù)據(jù)等統(tǒng)稱為蘊(yùn)涵著消息的信等統(tǒng)稱為蘊(yùn)涵著消息的信號，將受信者從消息中獲得的新知識稱為號，將受信者從消息中獲得的新知識稱為。信號是。信號是消息的表現(xiàn)形式或運(yùn)載工具，即消息蘊(yùn)涵于信號之中。消息的表現(xiàn)形式或運(yùn)載工具，即消息蘊(yùn)涵于信號之中。 一般而言，信息是從客觀世界獲得的新知識或者對一般而言，信息是從客觀世界獲得的新知識或者對客觀事物發(fā)出的新要求。客觀事物發(fā)出的新要求。 所以，信息、消息和信號三者既有密切的聯(lián)系又有所以，信息、消息和信號三者既有密切的聯(lián)系又有區(qū)別。區(qū)別。 信號的具體形式是某種物理量。如光信號、電信號、信號的具體形式是某種物理量。如光信號、電信號、聲信號等。聲信號等。5所謂電信號，就是

5、隨時間變化的電壓和電流，也所謂電信號，就是隨時間變化的電壓和電流，也可以是電荷或磁通以及電磁波等?？梢允请姾苫虼磐ㄒ约半姶挪ǖ?。 人們要獲得信息，首要獲取信號。再通過對信號的人們要獲得信息，首要獲取信號。再通過對信號的分析與處理，才能取得需要的信息。分析與處理，才能取得需要的信息。 例如，醫(yī)生要取得一個病人是否有心臟病的信息，例如，醫(yī)生要取得一個病人是否有心臟病的信息，往往先讓病人作一個心電圖。他是生物電位隨時間變往往先讓病人作一個心電圖。他是生物電位隨時間變化的函數(shù)，并最終以曲線圖表示出來。醫(yī)生根據(jù)他的化的函數(shù)，并最終以曲線圖表示出來。醫(yī)生根據(jù)他的專業(yè)知識對比心電信號作出分析與處理，才能得到

6、是專業(yè)知識對比心電信號作出分析與處理，才能得到是否有病的信息。否有病的信息。6A圖為竇性心動過速B圖為竇性心動過慢7 信號中包含著人們未知的信息，但取得了信號不信號中包含著人們未知的信息，但取得了信號不等于就獲取了信息，必須對信號做進(jìn)一步的分析與處等于就獲取了信息，必須對信號做進(jìn)一步的分析與處理才能從信號中提取所需要信息。理才能從信號中提取所需要信息。 所以說信號是便于傳載信息的物理形式。所以說信號是便于傳載信息的物理形式。 a) 信號是物理量或函數(shù)。信號是物理量或函數(shù)。 b) 信號中包含著信息，是信息的載體。信號中包含著信息，是信息的載體。 c) 信號信號信息，必須對信號進(jìn)行分析和處理后，才

7、信息，必須對信號進(jìn)行分析和處理后，才能能提取出信息。提取出信息。81. 信號表示信號表示 信號既是一個函數(shù)，因此在數(shù)學(xué)上可以表示為一個信號既是一個函數(shù)，因此在數(shù)學(xué)上可以表示為一個或幾個獨(dú)立變量的函數(shù)，亦可以用圖形表示?；驇讉€獨(dú)立變量的函數(shù)，亦可以用圖形表示?？陀^存在的信號是實(shí)數(shù)，但為了便于進(jìn)行數(shù)學(xué)上的客觀存在的信號是實(shí)數(shù)，但為了便于進(jìn)行數(shù)學(xué)上的分析和處理，經(jīng)常用復(fù)數(shù)或矢量形式表示。如分析和處理，經(jīng)常用復(fù)數(shù)或矢量形式表示。如x(t) = Acos( 1t + )對應(yīng)的復(fù)數(shù)形式對應(yīng)的復(fù)數(shù)形式 s(t) = Ae j( 1t + ) x(t) = Res(t) 又如彩色電視信號是由紅又如彩色電視信號

8、是由紅(r) (r) 、綠、綠(g)(g)、藍(lán)、藍(lán)(b) (b) 三三個基色以不同比例合成的結(jié)果，可用矢量來描述個基色以不同比例合成的結(jié)果，可用矢量來描述：),(),(),(),(tyxItyxItyxItyxIbgr9 一般信號的描述主要通過三個參數(shù)：頻率、幅度一般信號的描述主要通過三個參數(shù)：頻率、幅度和相位。和相位。例如聲波信號：例如聲波信號： 當(dāng)當(dāng)f 20Hz，次聲波，一般人耳聽不到，聲強(qiáng)足夠，次聲波，一般人耳聽不到，聲強(qiáng)足夠大，能被人察覺到。大，能被人察覺到。 當(dāng)當(dāng)20Hz f 20kHz，超聲波，聽不到，但具有方向性超聲波，聽不到，但具有方向性。 可見，頻率不同，信號的特性會有顯著的

9、差別。最可見，頻率不同，信號的特性會有顯著的差別。最簡單的信號是正弦信號。只有單一的頻率，稱為簡單的信號是正弦信號。只有單一的頻率，稱為“單色單色”信號；具有許多不同頻率正弦分量的信號，稱為信號；具有許多不同頻率正弦分量的信號，稱為“復(fù)合復(fù)合”信號。大多數(shù)應(yīng)用場合是復(fù)合信號，其重要參數(shù)為頻帶信號。大多數(shù)應(yīng)用場合是復(fù)合信號，其重要參數(shù)為頻帶寬度。比如高音質(zhì)的音響信號的帶寬是寬度。比如高音質(zhì)的音響信號的帶寬是20kHz，而一個，而一個視頻信號帶寬為視頻信號帶寬為6MHz。101.信號分類信號分類t x(t)t x(t)nT x(nT) a a、按信號的自變量按信號的自變量t 和函數(shù)的取值不同分和函

10、數(shù)的取值不同分 連續(xù)時間信號連續(xù)時間信號(continuous signal)和離散時間信號和離散時間信號(discrete signal)。 根據(jù)函數(shù)取值是否連續(xù)，可分別稱之為模擬信號根據(jù)函數(shù)取值是否連續(xù)，可分別稱之為模擬信號(analog)、量化信號、抽樣信號和數(shù)字信號、量化信號、抽樣信號和數(shù)字信號( (digital) 。x(n)n11 b b、按信號性質(zhì)分、按信號性質(zhì)分 確定性信號確定性信號(determinate)和隨機(jī)信號和隨機(jī)信號( (random)。 確定性信號是指在相同實(shí)驗(yàn)條件下，能夠重復(fù)出確定性信號是指在相同實(shí)驗(yàn)條件下，能夠重復(fù)出現(xiàn)的信號。分為周期信號現(xiàn)的信號。分為周期信號

11、( (periodic) )和非周期信號和非周期信號( (nonperiodic, aperiodic )。 tx(t)A2 x(t) t0 T12 T12 x(t)t0T1 T1T1 4E212E /2 /2 x(t)t001x(t)tu(t)t0113 c、按信號自變量時間和頻率定義范圍分、按信號自變量時間和頻率定義范圍分時限信號時限信號(time finite)和頻限信號和頻限信號(frequency finite)。 時限信號：信號在有限區(qū)間（時限信號：信號在有限區(qū)間（t1, t2）內(nèi)有定義，在區(qū)）內(nèi)有定義，在區(qū)間之外恒等于零。稱為時域有限信號，簡稱時限信號。間之外恒等于零。稱為時域有

12、限信號，簡稱時限信號。 比如矩形脈沖，正弦脈沖等。比如矩形脈沖，正弦脈沖等。 x(t)tt x(t) 頻限信號是信號在頻率域內(nèi)只占具有限的帶寬頻限信號是信號在頻率域內(nèi)只占具有限的帶寬（f1, , f2） ，在這個帶寬之外，信號恒等于零。例如理想低，在這個帶寬之外，信號恒等于零。例如理想低通濾波器、正弦信號等。通濾波器、正弦信號等。14 時、頻域間普遍存在著對稱性關(guān)系，頻限對應(yīng)時域時、頻域間普遍存在著對稱性關(guān)系，頻限對應(yīng)時域無限，時限對應(yīng)頻域無限無限，時限對應(yīng)頻域無限。 X( ) c- c X( ) 0- 0151.41.4信號分析、信號處理信號分析、信號處理相位譜幅度譜頻譜分析頻譜分析1 1、

13、信號分析、信號分析 是將復(fù)雜的信號分解為若干簡單信號分量疊加，是將復(fù)雜的信號分解為若干簡單信號分量疊加，并以這些分量的組成情況去考察信號的特征。并以這些分量的組成情況去考察信號的特征。 這樣的分解，可以抓住信號的主要成分進(jìn)行分析、這樣的分解，可以抓住信號的主要成分進(jìn)行分析、處理和傳輸，使復(fù)雜問題簡單化。處理和傳輸，使復(fù)雜問題簡單化。 信號分析中最基本的方法：信號分析中最基本的方法：以以 f 自變量自變量 162 2、信號處理、信號處理 對信號進(jìn)行某種加工或變換。如濾波、變換、增強(qiáng)、對信號進(jìn)行某種加工或變換。如濾波、變換、增強(qiáng)、壓縮、估計(jì)、識別等。壓縮、估計(jì)、識別等。目的：削弱信號中多余內(nèi)容；目

14、的：削弱信號中多余內(nèi)容；濾出混雜的噪聲和干濾出混雜的噪聲和干擾擾；或?qū)⑿盘栕儞Q成容易分析與識別的形式，便于提取；或?qū)⑿盘栕儞Q成容易分析與識別的形式，便于提取他的特征參數(shù)等。他的特征參數(shù)等。信號濾波器是信號處理中最基本的一信號濾波器是信號處理中最基本的一種處理。種處理。 例如：從月球測量發(fā)來的電視信號可能被淹沒在噪例如：從月球測量發(fā)來的電視信號可能被淹沒在噪聲之中，但是，利用信號處理技術(shù)就可予以增強(qiáng)，在地聲之中，但是，利用信號處理技術(shù)就可予以增強(qiáng)，在地球上得到清晰的圖象。球上得到清晰的圖象。 石油勘測、地震測量以及核試驗(yàn)監(jiān)測中所得到數(shù)據(jù)石油勘測、地震測量以及核試驗(yàn)監(jiān)測中所得到數(shù)據(jù)的分析都需要利用

15、信號處理技術(shù)。的分析都需要利用信號處理技術(shù)。17此外還可以應(yīng)用于心電圖、腦電圖的分析，語音此外還可以應(yīng)用于心電圖、腦電圖的分析，語音識別以及各種類型的數(shù)據(jù)通信，等等。識別以及各種類型的數(shù)據(jù)通信，等等。 信號處理包括時域和頻域處理，時域處理中最信號處理包括時域和頻域處理，時域處理中最典型的是波形分析。把信號從時域轉(zhuǎn)化為頻域進(jìn)行分典型的是波形分析。把信號從時域轉(zhuǎn)化為頻域進(jìn)行分析和處理，可以獲得更多的信息。頻域處理更為重要。析和處理，可以獲得更多的信息。頻域處理更為重要。3.3.信號處理系統(tǒng)信號處理系統(tǒng) 信號的分析、處理與系統(tǒng)是密切相關(guān)的。有些系統(tǒng)信號的分析、處理與系統(tǒng)是密切相關(guān)的。有些系統(tǒng)本身，例

16、如濾波器就是直接進(jìn)行信號處理的系統(tǒng)。本身，例如濾波器就是直接進(jìn)行信號處理的系統(tǒng)。 從廣義上說，系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互制約、相互從廣義上說，系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互制約、相互作用的各部分組成是具有一定整體功能和綜合行為的統(tǒng)作用的各部分組成是具有一定整體功能和綜合行為的統(tǒng)一體。它所涉及的范圍十分廣泛。一體。它所涉及的范圍十分廣泛。18一般來說，把對信號進(jìn)行分析和處理的系統(tǒng)歸一般來說，把對信號進(jìn)行分析和處理的系統(tǒng)歸納為信號處理系統(tǒng)。納為信號處理系統(tǒng)。 信號處理系統(tǒng)可分為：模擬處理系統(tǒng)和離散處信號處理系統(tǒng)可分為：模擬處理系統(tǒng)和離散處理系統(tǒng)兩類。理系統(tǒng)兩類。 模擬處理系統(tǒng)的輸入、輸出信號均為模擬信號，模擬

17、處理系統(tǒng)的輸入、輸出信號均為模擬信號，其處理系統(tǒng)是由模擬元件其處理系統(tǒng)是由模擬元件R、L、C及模擬電路構(gòu)成及模擬電路構(gòu)成的模擬系統(tǒng)。的模擬系統(tǒng)。 數(shù)字處理系統(tǒng)核心部分是數(shù)字處理系統(tǒng)核心部分是計(jì)算機(jī)或?qū)Ｍ瑪?shù)字硬計(jì)算機(jī)或?qū)Ｍ瑪?shù)字硬件件構(gòu)成。它的輸入、輸出信號均為數(shù)字信號。構(gòu)成。它的輸入、輸出信號均為數(shù)字信號。19 與模擬處理系統(tǒng)相比數(shù)字處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：與模擬處理系統(tǒng)相比數(shù)字處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）數(shù)字處理系統(tǒng)可以完成許多模擬處理系統(tǒng)感）數(shù)字處理系統(tǒng)可以完成許多模擬處理系統(tǒng)感到困難甚至難以完成的復(fù)雜的信號處理任務(wù)。到困難甚至難以完成的復(fù)雜的信號處理任務(wù)。 以信號的譜分析為例，模擬處理系統(tǒng)

18、通常要采用以信號的譜分析為例，模擬處理系統(tǒng)通常要采用大量的窄帶濾波器來構(gòu)成，不僅處理功能有限，而且分大量的窄帶濾波器來構(gòu)成，不僅處理功能有限，而且分辨力低，分析時間長。而現(xiàn)代數(shù)字譜分析采用快速傅里辨力低，分析時間長。而現(xiàn)代數(shù)字譜分析采用快速傅里葉變換算法（葉變換算法（FFT），對于），對于 1024點(diǎn)序列作譜分析只需點(diǎn)序列作譜分析只需十幾十幾ms甚至幾甚至幾ms，實(shí)時處理能力很強(qiáng)，而且頻譜分辨，實(shí)時處理能力很強(qiáng)，而且頻譜分辨能力也很強(qiáng)，在超低頻段（能力也很強(qiáng)，在超低頻段（1Hz）可達(dá)）可達(dá)1mHz量級，在量級，在高頻段（高頻段（100kHz)，可達(dá)，可達(dá)250kHz，而且運(yùn)算及輸出功，而且運(yùn)算

19、及輸出功能極其豐富。能極其豐富。 又如在自動控制工程中需要過濾數(shù)赫或十?dāng)?shù)赫的信又如在自動控制工程中需要過濾數(shù)赫或十?dāng)?shù)赫的信號，采用模擬濾波，其電容電感數(shù)值可能大得驚人而不號，采用模擬濾波，其電容電感數(shù)值可能大得驚人而不易實(shí)現(xiàn)，但采用數(shù)字濾波方法卻顯得輕而易舉。易實(shí)現(xiàn)，但采用數(shù)字濾波方法卻顯得輕而易舉。20 又如圖像信號處理正是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)具有龐大的又如圖像信號處理正是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)具有龐大的存儲單元及復(fù)雜的運(yùn)算功能才得已實(shí)現(xiàn)。存儲單元及復(fù)雜的運(yùn)算功能才得已實(shí)現(xiàn)。 2. 靈活性靈活性 對模擬系統(tǒng)而言，它的性能取決于構(gòu)成它的一些對模擬系統(tǒng)而言，它的性能取決于構(gòu)成它的一些元件的參數(shù)，如欲改變其性能就必須改變這些硬件參數(shù)，元件的參數(shù)，如欲改變其性能就必須改變這些硬件參數(shù)，重新構(gòu)成新系統(tǒng)。對數(shù)字系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的性能主要取重新構(gòu)成新系統(tǒng)。對數(shù)字系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的性能主要取決于系統(tǒng)的設(shè)置