信號分析與處理緒論精選

1、信號處理(xn ho ch l)技術上海大學機自學院自動化系 昝鵬Tel: 56331269延長(ynchng)路149號電機樓 212共六十五頁 關于“數(shù)字(shz)信號處理” 概論(giln)共六十五頁（一）信號（二）數(shù)字信號（三）數(shù)字信號處理 1 數(shù)字信號處理的任務 2 數(shù)字信號處理的優(yōu)勢 3 數(shù)字信號處理的理論(lln) 4 數(shù)字信號處理的實現(xiàn) 5 數(shù)字信號處理的應用 6 關于數(shù)字信號處理的學習關于(guny)數(shù)字信號處理共六十五頁什么(shn me)是DSP?Digital Signal Processing (DSP) 一門新的學科(xuk)Digital Signal Proce

2、ssor (DSP) 數(shù)字信號處理器: DSPs一門正在蓬勃發(fā)展的高新 技術學科共六十五頁信號(xnho)？數(shù)字信號？數(shù)字(shz)信號處理？共六十五頁 信號是信息（Information)的載體 ，即信息包含在信號中。 信號，特別(tbi)是一維信號，多是時間 的函數(shù)，即（一） 信號(xnho)連續(xù)時間信號，又稱模擬信號（Analog Signal)共六十五頁常見信號： 電壓，電流，磁通；溫度，壓力， 壓強；光，機械振動； 價格，經(jīng)濟指數(shù)，股市指數(shù)； 流量，水位(shuwi)，潮位；人體生理信號 等等共六十五頁常見(chn jin)人體生理信號 （生物醫(yī)學信號）ECG(心電)EEG(腦電)E

3、OG(眼電)EMG(肌電)PCG(心音(xnyn)要求：準確檢測R波，99 準確檢測 P,Q,S,T等波， 90% 準確測量 PQ間期， QRS寬度， S-T段形態(tài)共六十五頁不同(b tn)心臟病人的心電圖共六十五頁腦電信號胎兒(ti r)心電信號共六十五頁腦電（EEG）的節(jié)律(jil)（即主要頻率）：節(jié)律(jil)：13Hz 的成分。（深睡）（淺睡）（清醒）（受刺激或思考）共六十五頁火車鳴笛(mn d)信號共六十五頁二維信號(xnho)：視頻信號： 共六十五頁作用：將非電信號轉(zhuǎn)化為電信號。 轉(zhuǎn)化后的信號是連續(xù)(linx)時域模擬 （Analog)信號, 可以用 表示。 模擬信號產(chǎn)生、處理和傳

4、輸所使用 的器件是: R, L, C, OP(運算放大器) 缺點: 體積大, 精度低，不靈活非電信號轉(zhuǎn)化(zhunhu)為電信號轉(zhuǎn)換-傳感器共六十五頁（二）數(shù)字信號 : 所有整數(shù) : 抽樣間隔 ， ：抽樣頻率(Sampling Frequency)歸一化：共六十五頁流程圖 sensors放大器A/DDSP裝置信號源D/A共六十五頁例: A/D 8bit 5V00000000 0V00000001 20mV 00000010 40mV29mV 31mV共六十五頁 A/D芯片已高度集成化，將這些芯片配以一些必要的外圍(wiwi)電路可做成不同的A/D板（又稱數(shù)據(jù)采集板）。將A/D板插入普通計算機（

5、如PC）的擴展槽中，配以相應的軟件即可實現(xiàn)信號的抽樣。A/D芯片有兩個主要的參數(shù)，一是字長，二是轉(zhuǎn)換速度?，F(xiàn)在市售的A/D芯片的字長有8bit，10bit，12bit及14bit，字長越長，量化誤差越小，自然，轉(zhuǎn)換的精度就越高。轉(zhuǎn)換速度決定了其A/D芯片的最大抽樣速度，目前市售的A/D芯片的抽樣速度可由幾十千赫至幾百兆赫。當然，字長越長，速度越高，其售價也越貴，使用者應視實際需要選用。共六十五頁以PC或?qū)Ｓ肈SP裝置為硬件平臺, 以數(shù)值分析為基本工具, 發(fā)展眾多的信號處理算法，實現(xiàn)信號自身的提取(tq)或是信號有用特征( 幅度, 周期, 持續(xù)時間, 過零點個數(shù), 上升時間, 下降時間, 自相關

6、函數(shù), 功率譜)的提取(tq), 以達到認識信號, 利用信號的目的。（三） 數(shù)字(shz)信號處理共六十五頁任務：從信號(xnho)中提取出所需要的信息，并將其用于 實際 。1. 數(shù)字信號處理(xn ho ch l)的任務例：心電監(jiān)護儀：內(nèi)含CPU共六十五頁 用于危重病房（intensive care unit，ICU）的心電自動監(jiān)護儀的作用是監(jiān)護病人的心電狀態(tài)(zhungti)（同時也包括其他生理參數(shù)，如血壓、呼吸等），它應能實時地顯示和存儲病人的心電波形，并根據(jù)心電圖的異常來自動決定是否給出報警。一個實際的心電監(jiān)護儀由心電放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、CPU、顯示單元、存儲單元、系統(tǒng)管理軟件和心

7、電信號處理軟件所組成。心電處理軟件的功能： （1） 在CPU的控制下實現(xiàn)心電信號的采集(cij)、顯 示和存儲； 共六十五頁 （2）去除噪聲： 在信號采集時，身體的任一微小運動(yndng)都會產(chǎn)生“基線漂移”，這是一種低頻干擾，同時，由于肌電的存在又產(chǎn)生了高頻的肌電噪聲，由于空間電磁場的存在又使心電信號中混有50Hz的工頻干擾。這些噪聲不去除，就會影響下一步的信號處理。 帶有高頻噪聲及病態(tài)(bngti)失真的心電信號共六十五頁（3）波形(b xn)檢測（參數(shù)提?。?R波檢測：要求99； P波檢測，T波檢測：幅度(fd)特別低，90； P-Q間期測量；S-T段形態(tài)檢測； QRS寬度檢測共六十

8、五頁 （4）病類判別：根據(jù)檢測出的參數(shù)、心臟疾病的原理和醫(yī)生的臨床經(jīng)驗，建立起各種心律異常的數(shù)學模型并對心電信號做出判別，決定是否異常，如異常，又屬于哪一類異常。這一工作即是信號處理的應用。 以上(yshng)內(nèi)容雖然屬于生物醫(yī)學工程學科的范疇，但從中可以看出數(shù)字信號處理的內(nèi)容和任務。其他學科的信號處理過程和該問題類似，即大體上也包含了去噪、特征檢測（或提?。┖蛻糜趯嶋H這三個方面。共六十五頁 2. 數(shù)字信號處理(xn ho ch l)的優(yōu)勢:（1）. 精度高 （2）. 可重復性強 （3）. 體積小 （4）. 成本低 （5）. 可編程：所以(suy)靈活性強 （6）. 實時性(Real-tim

9、e)強共六十五頁數(shù)學: 微積分, 線性代數(shù), 概率, 隨機過程(guchng), 數(shù)論, 近世代數(shù)現(xiàn)代通信原理(yunl)、現(xiàn)代控制理論模式識別、最優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)辨識、 振動測試生物醫(yī)學工程信號與系統(tǒng), 計算機 3. 數(shù)字信號處理的理論：基礎發(fā)展共六十五頁1. 信號抽樣與采集理論(lln);2. 信號分析理論: Z變換, 離散傅里葉變換(DFT) Hilbert 變換 離散余弦變換(DCT) 離散小波變換(DWT) 快速算法理論(FFT)共六十五頁 3. 離散系統(tǒng)分析; 4. 離散系統(tǒng)設計(濾波器設計); 5. 隨機信號統(tǒng)計分析理論; 6. 信號建模(AR, MA,ARMA) ; 7. 特

10、征估計(自相關函數(shù),功率譜計); 8. 實現(xiàn)(軟件(run jin)-MATLAB; 硬件- DSP); 9. 應用共六十五頁 （教學(jio xu), 科研, 開發(fā)的前期）DSP軟件包MATLAB Signal Processing Tool Box4. 數(shù)字信號處理(xn ho ch l)的實現(xiàn)軟件實現(xiàn):硬件實現(xiàn):CPU, MCU, DSP共六十五頁TI產(chǎn)品(chnpn)系列共六十五頁 DSP的特點: 時鐘(shzhng)快；硬件乘法器（實現(xiàn)連乘連加）； 哈佛結(jié)構；較多的寄存器， 等等 數(shù)字信號處理(xn ho ch l)中最常用的算法是線性卷積和 DFT,其特點是大量的“連乘連加”運算，

11、如： 共六十五頁5、數(shù)字信號處理(xn ho ch l)的應用共六十五頁DSP的應用(yngyng)耳背(r bi)式耳道式耳內(nèi)式完全耳內(nèi)式心電 Holter共六十五頁5. 關于數(shù)字(shz)信號處理的學習 作為一門課程，學好數(shù)字信號處理和學好其他課程有著共同的要求。下面是幾點特殊的要求： （1）特別要注意加深概念的理解，不要只停留在死記數(shù)學公式上； （2）通過應用來加深理解和記憶； 特別希望大家在學習的過程(guchng)中一定要重視利用MATLAB來完成實際的信號處理任務。 （3）打好基礎，循序漸進； （4）盡可能的多看一些國外的教科書及有關文獻共六十五頁教材(jioci)數(shù)字(shz)信

12、號處理理論、算法與實現(xiàn) （第二版） 清華大學出版社 胡廣書共六十五頁 1 S J. Orfanids. Introduction to Signal Processing. 1996; 清華大學出版社，1999 2 S K Mitra. Digital Signal Processing: A Computer Based Approach . 2001， 清華大學出版社，2001 3 Proakis J.G. Introduction to Digital Signal Processing. 1988參考書共六十五頁有關(yugun)期刊I EEE Trans. on Signal Pro

13、cessing;I EEE Trans. on Circuits and Systems;I EEE Trans. on Biomedical Engineering;Proc. of I EEE;Signal Processing;信號處理(xn ho ch l)共六十五頁考核(koh)平日成績+專題報告+小論文 （平日成績20%，專題報告40%，小論文40%）專題報告：就某個信號處理技術(jsh)的相關專題以PPT形式介紹。 報告情況（報告時間15分鐘，PPT的首頁要有導師姓名、自己姓名、學號、郵箱）小論文： 撰寫一篇文章（要求按論文寫作要求。有題目、作者、摘要、關鍵字、參考文獻及外文摘要

14、）。共六十五頁主要(zhyo)內(nèi)容信號采集技術與現(xiàn)代信號處理方法1模擬輸入通道相關技術（放大、A/D） 2 接口及總線技術(采集卡、232、USB、PCI) 3虛擬儀器采集系統(tǒng) （Labview、CVI） 4信號處理系統(tǒng)（DSP，F(xiàn)PGA） 5報告、小論文(lnwn)參考范圍共六十五頁無線數(shù)據(jù)傳輸技術（BlueTooth、Zigbee）6信號預處理方法（濾波，盲源分離，ICA）7信號處理方法（小波、NN、HHT、 SVM）8智能控制方法概述（模糊、自適應、最優(yōu)）9自己參與的相關課題10共六十五頁1、信號采集的概念 也稱為數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition ），是指將溫度、壓力、流量(l

15、iling)、位移等模擬量進行采集、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計算機進行存儲、處理、顯示或打印，相應的系統(tǒng)稱為信號采集系統(tǒng)。傳感器模擬信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集電路微機系統(tǒng)一、信號采集(cij)技術2、采集系統(tǒng)的基本組成 共六十五頁 ADCDACcntr/timerdigitalDAQ BoardAnalog I/ODigital I/OClock I/OOnOff1-0 3、信號采集(cij)的功能 共六十五頁 實際的信號采集系統(tǒng)往往需要同時測量多種物理量或同一種物理量的多個測量點。因此(ync)，多路模擬輸人通道更具有普遍性。按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路共用一個還是每路各用一個，多路模擬輸人通道可分

16、為：集中采集式分散采集式 4、信號采集(cij)的分類 共六十五頁集中(jzhng)采集式共六十五頁(a) 分布式單機數(shù)據(jù)采集(cij)結(jié)構 分散(fnsn)采集式共六十五頁(b) 網(wǎng)絡式數(shù)據(jù)(shj)采集結(jié)構通信接口上位機數(shù)據(jù)采集站1數(shù)據(jù)采集站2數(shù)據(jù)采集站3數(shù)據(jù)采集站N模擬信號和數(shù)字信號共六十五頁 5、傳感器的選用(xunyng) 傳感器是信號輸入通道的第一個環(huán)節(jié)，也是決定整個測試系統(tǒng)性能的關鍵環(huán)節(jié)之一。要正確選用傳感器： 首先要明確所設計的測試系統(tǒng)需要什么樣的傳感器系統(tǒng)對傳感器的技術要求； 其次是要了解現(xiàn)有(xin yu)傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標和價格進行對比，從

17、中挑選合乎要求的性能價格比最高的傳感器。共六十五頁（1） 對傳感器的主要技術要求 被測量轉(zhuǎn)換(zhunhun)為電量，轉(zhuǎn)換(zhunhun)范圍與被測量實際變化范圍相一致； 轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度； 滿足被測介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕、不耗電、耗電少； 可靠性、可維護性；共六十五頁（2） 傳感器的選擇 對于一種被測量，常常有多種傳感器可以測量，例如測量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導體PN結(jié)、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種。在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應側(cè)重考慮成本低、相配電路是否簡單等因素

18、進行取舍，盡可能選擇性價比高的傳感器。 大信號輸出傳感器，專門與A/D相配套； 數(shù)字式傳感器（頻率量輸出或開關量輸出） 集成傳感器（將傳感器與信號調(diào)理電路做成一體） 光纖傳感器（信號拾取(shq)、變換、傳輸都是通過光導纖維實現(xiàn)）共六十五頁傳感器前置放大低通陷波高通至采集電路前置放大(fngd)常用放大(fngd)器：儀用放大器：可依據(jù)非線性度、溫漂、建立時間、 失調(diào)、共模抑制比等選用程控增益放大器：由程序控制增益隔離放大器等：用于要求共模抑制比高的模擬信號的傳輸過程 6、模擬信號調(diào)理(tio l) 共六十五頁時域信號(xnho)頻域信號(xnho)0.985ttf 16-bit ADC3-b

19、it ADCAmplitudecode widthTime02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000 7、A/D轉(zhuǎn)換及接口0.985t直流信號0.985t共六十五頁A/D 采樣率Nyquist原理(yunl) 采樣率2倍的最高頻率Adequately sampled共六十五頁應用軟件接口軟件LabVIEWLabWindows/CVIComponent WorksVisual BasicC/C+.PCI-MIO-16E-1DAQ 卡NI-DAQ 8、軟件平臺共六十五頁1、信號(xnho)分類二

20、、現(xiàn)代(xindi)信號處理 凡是利用數(shù)字計算機或?qū)Ｓ脭?shù)字硬件、對數(shù)字信號所進行的一切變換或按預定規(guī)則所進行的一切加工處理運算。 例如：濾波、檢測、參數(shù)提取、頻譜分析、估計、壓縮識別等，達到提取有用信息，便于應用的目的。（a）一維信號、二維信號、矢量信號（b）周期信號和非周期信號（c）確定性信號和隨機信號（d）能量信號和功率信號（e）連續(xù)信號、離散信號（f）模擬信號和數(shù)字信號共六十五頁濾波概念： 在形形色色的信號中提取所需要的信號,抑制不需要的信號或干擾信號，濾除不需要的背景噪聲，消除信息(xnx)在傳輸過程中由于信道不理想所引起的失真。濾波應用： 廣泛地應用于數(shù)字通信，雷達，遙感，聲納，語音

21、合成，圖象處理，測量與控制，高清晰度電視，多媒體物理學，生物醫(yī)學，機器人等。2、濾波(lb)方法常用方法： 維納濾波、卡爾曼濾波、同態(tài)濾波、自適應濾波共六十五頁概念：研究在未知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、源信號的混合系數(shù)及其概率分布的情況下，從混合信號中分離出獨立源信號的技術，他是信號處理中一種很有前途的新興技術，應用領域十分廣泛。在語音(yyn)處理、生物電信號處理、圖像處理、金融數(shù)據(jù)分析以及移動通信等領域得到了廣泛的應用。典型：廣泛地應用于數(shù)字通信，雷達，遙感，聲納，語音合成，圖象處理，測量與控制，高清晰度電視，多媒體物理學，生物醫(yī)學，機器人等。3、盲源分離(fnl)方法共六十五頁概念：對各種信號進行

22、頻譜分析,或?qū)r間域信號轉(zhuǎn)換為頻率域信號進行處理。應用：例如通過對環(huán)境噪聲的譜分析,可以確定主要頻率成分,了解噪聲的成因,找出降低噪聲的對策； 對振動信號的譜分析,可了解振動物體的特性,為設計或故障診斷提供資料(zlio)和數(shù)據(jù)； 對于高保真音樂和電視這樣的寬帶信號轉(zhuǎn)到頻率域后極大多數(shù)能量集中在直流和低頻部分,就可把頻譜中的大部分成分濾去,從而壓縮信號頻帶。4、譜分析與FFT方法(fngf)共六十五頁概念：根據(jù)信號有限個樣本來估計信號的自相關函數(shù)或者功率譜密度；方法：無偏估計；最小方差估計；一致估計；應用：信號處理中許多場合，要求預先知道信號的功率譜密度（或者自相關函數(shù)），譬如維納濾波。 線性

23、系統(tǒng)的參數(shù)估計。希望了解系統(tǒng)的頻幅特性，可以用白噪聲通過該系統(tǒng)，從輸出中估計功率譜密度。 從寬帶(kun di)噪聲中檢測窄帶信號。 5、功率(gngl)譜估計共六十五頁概念：選擇一個模型，用已經(jīng)觀察到的樣本數(shù)據(jù)(shj)或者自相關函數(shù)的數(shù)據(jù)(shj)（已知或者可以估計）來確定模型參數(shù)；方法：AR，MA，ARMA，CAPON，PRONY各種參數(shù)模型方法；6、信號(xnho)建模方法共六十五頁 概念：在一定條件下把原始信號所含信息數(shù)據(jù)進行壓縮,如語音、聲音、圖像信號中含有許多冗余信息,通過數(shù)字信號壓縮算法最大限度地去除這些信號中的冗余度,使壓縮后信號帶寬(di kun)減小,提高傳輸效率。 作數(shù)據(jù)存儲時可降低所需存儲介質(zhì)的容量。例如直徑為120的光盤,本來存儲的只是一套70分鐘的立體聲音樂,現(xiàn)在可將70分鐘電視信號和音樂信號都壓縮到120的光盤上,即光盤。7、信號(xnho)壓縮技術共六十五頁概念： 在原始信號所代表的眾多的信息中提取出最能代表事物本質(zhì)的信息。方法：時域：均值、過零點數(shù)、方差、時序模型AR、MA等頻域：