電子信息工程概論課件第四章

第四章信號(hào)的分析及處理技術(shù)

在人類社會(huì)活動(dòng)中，人們經(jīng)常以語(yǔ)言、文字、圖形和數(shù)據(jù)等方式傳播和接收消息，所謂消息可以認(rèn)為是通過(guò)一定手段所表達(dá)的感覺(jué)、思想和意見(jiàn)等。從維持生存及完成社會(huì)職能等角度來(lái)說(shuō)，人類必須不停地進(jìn)行各種消息的傳遞和交換。在人類較早的時(shí)期，便有結(jié)繩記事、擊鼓傳情和烽火報(bào)警等簡(jiǎn)單的信息表達(dá)和信息傳遞方式。

早期的信息表達(dá)和傳遞方式

消息是信息的載體，信息是消息中蘊(yùn)含的尚未確定的內(nèi)容。若把消息這個(gè)載體以物理量的形式表現(xiàn)出來(lái)，如用聲、光、電、偏移、速度、加速度、溫度、濕度和顏色等代替消息，則構(gòu)成信號(hào)。這就是說(shuō)，信號(hào)只是消息的一種物理表現(xiàn)形式，因此消息與信息的關(guān)系，也就是信號(hào)與信息的關(guān)系，即信號(hào)也是信息的載體，反映信息的物理量。從信息的傳輸和處理的角度來(lái)說(shuō)，信號(hào)較之消息的其他表現(xiàn)形式，4.1概述4.1.1信號(hào)的定義與描述

任何攜帶信息的物理量皆可以作為信號(hào)。信號(hào)處理的目的就是要從一大堆混合的、雜亂的信息中提取或增強(qiáng)有用的信息。因此，信號(hào)處理的實(shí)質(zhì)就是提取、增強(qiáng)、存儲(chǔ)和傳輸有用信息的一種運(yùn)算。數(shù)學(xué)上，信號(hào)可以描述為一個(gè)或若干個(gè)自變量的函數(shù)或序列的形式。信號(hào)的另外一種描述方式是“波形”描述?！邦l譜”也是信號(hào)的描述方法之一，它是頻率的函數(shù)，可以與表示信號(hào)的函數(shù)或序列一一對(duì)應(yīng)。

所謂信號(hào)分析，就是通過(guò)解析方法或測(cè)試方法找出不同信號(hào)的特征，從而了解其特性，掌握它隨時(shí)間或頻率變化的規(guī)律的過(guò)程。所謂信號(hào)處理，就是指通過(guò)對(duì)信號(hào)的變換和加工，把一個(gè)信號(hào)變換成另一個(gè)信號(hào)的過(guò)程。因此，也可以把信號(hào)處理理解為為了特定的目的，通過(guò)一定的手段改造信號(hào)的過(guò)程。4.1.2

信號(hào)分析和處理的目的及方法

信號(hào)分析和處理的基本方法

信號(hào)處理方法4.1.3信號(hào)處理基本內(nèi)容

例1：在生活實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)有的汽車?yán)缺容^好，有的喇叭則在近處聽(tīng)了刺耳，遠(yuǎn)處又聽(tīng)不清晰。圖4-3(a)、(c)為兩種喇叭聲在時(shí)域中的波形圖，圖中我們很難看出喇叭的質(zhì)量差別。但如果分別把它們的時(shí)域波形作頻譜分析后(取樣頻率為8kHz)，得頻譜圖4-3(b)、(d)，從中就很容易看出差異，好的喇叭頻譜圖主要含有三個(gè)頻譜分量(又稱三音)，所以后者(對(duì)應(yīng)于時(shí)域波形圖c和的頻譜圖d)的質(zhì)量明顯優(yōu)于前者。

喇叭聲音對(duì)比圖我們區(qū)分了喇叭音質(zhì)的好壞，用到了頻域分析法。所謂頻域分析法就是傅里葉分析法，它是變換域分析法的基石。

一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)總是雜亂的，但實(shí)際上這種雜亂常常是正弦波的簡(jiǎn)單迭加，其次，信號(hào)的頻率表示更有利于信號(hào)辨別、分離、傳輸?shù)?。更重要的是用頻譜來(lái)分析一個(gè)波形，就可以了解到波形源的某些信息因。

在信號(hào)的實(shí)際處理中我們除了進(jìn)行必要的頻域變換外，還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。這是因?yàn)槔硐氲男盘?hào)是不存在的，信號(hào)總會(huì)或多或少的受到噪聲的影響。為了優(yōu)化信號(hào)處理的效果，我們必須設(shè)法將噪聲的影響降到最低，這就要用到濾波的原理。即通過(guò)濾波器將信號(hào)中不需要的成分盡可能的濾除，保留信號(hào)中的有用成分。(a)低通

(b)高通(d)帶阻(c)帶通

理想濾波器頻率特性

頻譜變換可以使我們更好的了解信號(hào)信息，更好的分析信號(hào)的特性。但傅里葉變換的計(jì)算過(guò)程是復(fù)雜的，特別是對(duì)于模擬信號(hào)的頻域變換，很難在計(jì)算機(jī)上操作。

1965年，美國(guó)庫(kù)利（J．W．Cooley）和圖基（J．W．Tukey）提出了快速傅里葉變換計(jì)算方法，這不僅大大降低了變換運(yùn)算的次數(shù)，也簡(jiǎn)化了計(jì)算結(jié)果的存儲(chǔ)。

模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化——信號(hào)抽樣模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理的過(guò)程框圖。

模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換4.2信號(hào)分析和處理的基礎(chǔ)知識(shí)4.2.1信號(hào)的分類

在介紹信號(hào)的分類方式前，我們先來(lái)看實(shí)際生活中的兩個(gè)例子。例2：某減速機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖4-7所示。在該機(jī)械系統(tǒng)中，回轉(zhuǎn)體不平衡引起的振動(dòng)，往往是一種周期性運(yùn)動(dòng)，由測(cè)點(diǎn)3測(cè)到的信號(hào)波形如圖4-8。從圖中波形我們可以看到，可以近似地看作為周期信號(hào)。某減速機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖

某減速機(jī)測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)信號(hào)波形

例3：錘子的敲擊力、承載纜繩斷裂時(shí)的應(yīng)力變化、熱電偶插入加熱爐中溫度的變化過(guò)程等，這些信號(hào)都屬于瞬變非周期信號(hào)，并且可用數(shù)學(xué)關(guān)系式（指數(shù)函數(shù)和正弦函數(shù)）描述。例如，圖4-9是單自由度振動(dòng)模型在脈沖力作用下的響應(yīng)。單自由度振動(dòng)模型在脈沖力作用下的響應(yīng)為了深入了解信號(hào)的物理實(shí)質(zhì)，將其進(jìn)行分類研究是非常必要的。下面將從不同的角度來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類。確定性信號(hào)和隨機(jī)性信號(hào)

2）周期信號(hào)與非周期信號(hào)在規(guī)則信號(hào)之中又可分為周期信號(hào)與非周期信號(hào)。所謂周期信號(hào)就是依一定時(shí)間間隔周而復(fù)始，而且是無(wú)始無(wú)終的信號(hào)，它們的表示式可以寫(xiě)作滿足此關(guān)系式的最小T值稱為信號(hào)的周期。

周期信號(hào)的兩種形式

(a)連續(xù)信號(hào)

(b)離散信號(hào)

4-10周期信號(hào)

3）連續(xù)時(shí)間信號(hào)和離散時(shí)間信號(hào)在自變量的整個(gè)連續(xù)區(qū)間內(nèi)都有定義的信號(hào)是連續(xù)時(shí)間信號(hào)，簡(jiǎn)稱連續(xù)信號(hào)。需要說(shuō)明的是，這里的“連續(xù)”指的是定義域，信號(hào)的值域可以是連續(xù)的，也可以不是連續(xù)的。僅在一些離散的時(shí)間點(diǎn)上才有定義的信號(hào)稱為離散時(shí)間信號(hào)，簡(jiǎn)稱離散信號(hào)。同樣，這里的“離散”指的是定義域，其值域可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。

離散余弦信號(hào)信號(hào)

4)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)

一個(gè)數(shù)字信號(hào)，各離散時(shí)刻的值只取“0”或“1”。數(shù)字信號(hào)—般都是通過(guò)把模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)后得到。

數(shù)字信號(hào)5)因果信號(hào)與非因果信號(hào)如果一個(gè)信號(hào)只在自變量的正半軸左閉區(qū)間[0,+∞)才取非零值，而在(-∞，0)開(kāi)區(qū)間內(nèi)取值均為零值，那么這樣的信號(hào)就稱為因果信號(hào)，否則就稱為非因果信號(hào)。

6）一維信號(hào)與多維信號(hào)從數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)看，信號(hào)又可以表示為一個(gè)或多個(gè)變量的函數(shù)。語(yǔ)音信號(hào)可以表示為聲壓隨時(shí)間變化的函數(shù)，這是一維信號(hào)。而一張黑白圖像每個(gè)點(diǎn)(像素)具有不同的光強(qiáng)度，任一點(diǎn)又是二維平面坐標(biāo)中兩個(gè)變量的函數(shù)，這是二維信號(hào)。實(shí)際上，還可以出現(xiàn)更多維變量的信號(hào)。例如，電磁波在三維空間傳播，同時(shí)考慮時(shí)間變量而構(gòu)成四維信號(hào)。

語(yǔ)音信號(hào)4.2.2典型信號(hào)及其基本特性

在信號(hào)處理問(wèn)題研究的中，經(jīng)常會(huì)遇到一些典型的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，如正弦信號(hào)、指數(shù)信號(hào)、抽樣函數(shù)、沖激信號(hào)等。熟練掌握這些信號(hào)的表達(dá)式及性質(zhì)對(duì)進(jìn)一步研究十分有意義。典型信號(hào)4.2.3系統(tǒng)的概念

系統(tǒng)一般可定義為由若干個(gè)相互依賴的事物組成的具有特定功能的整體。例如太陽(yáng)系、人的神經(jīng)組織系統(tǒng)、原子結(jié)構(gòu)等屬于自然系統(tǒng)；交通運(yùn)輸網(wǎng)、大型計(jì)算機(jī)等屬于人工系統(tǒng)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)、政治結(jié)構(gòu)等屬于非物理系統(tǒng)；機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、通信網(wǎng)、電力網(wǎng)等屬于物理系統(tǒng)。因此系統(tǒng)是一個(gè)并不陌生的應(yīng)用非常廣泛的概念。

在信號(hào)分析與信息處理領(lǐng)域中所研究的系統(tǒng)一般不是指應(yīng)用中的一個(gè)具體系統(tǒng)，系統(tǒng)模型4.2.4系統(tǒng)的分類1）連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)與離散時(shí)間系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸入與輸出都是連續(xù)時(shí)間信號(hào)，則稱此系統(tǒng)為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸入和輸出都是離散時(shí)間信號(hào)，則稱此系統(tǒng)為離散時(shí)間系統(tǒng)。實(shí)際上，離散時(shí)間系統(tǒng)為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)經(jīng)常與連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)組合運(yùn)用，這種情況稱為混合系統(tǒng)。連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是微分方程，離散時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型則是差分方程。

例4：簡(jiǎn)單力學(xué)系統(tǒng)如下圖所示。在光滑平面上，質(zhì)量為m的鋼性球體在水平外力f(t)的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。設(shè)球體與平面間的摩擦力及空氣阻力忽略不計(jì)。將外力f(t)看作是系統(tǒng)的激勵(lì)，球體運(yùn)動(dòng)速度看作是系統(tǒng)的響應(yīng)。根據(jù)牛頓第二定律，有

圖4-15力學(xué)系統(tǒng)

2）即時(shí)系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出信號(hào)只決定于同一時(shí)刻的激勵(lì)信號(hào)而與其過(guò)去的工作狀態(tài)(歷史)無(wú)關(guān)，則稱該系統(tǒng)為即時(shí)系統(tǒng)（或無(wú)記憶系統(tǒng)）。例如，只有電阻元件組成的電路系統(tǒng)就是即時(shí)系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的輸出信號(hào)不僅決定于同一時(shí)刻的激勵(lì)信號(hào)，而且還與其過(guò)去的工作狀態(tài)（歷史）有關(guān)，則稱該系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（或記憶系統(tǒng)）。即時(shí)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)

3）線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)。具有疊加性和齊次性的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。所謂疊加性是指當(dāng)幾個(gè)激勵(lì)信號(hào)同時(shí)作用于系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)等于每個(gè)激勵(lì)信號(hào)單獨(dú)作用于該系統(tǒng)所產(chǎn)生的響應(yīng)之和。

4）時(shí)變系統(tǒng)與時(shí)不變系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的參數(shù)不隨時(shí)間而變化，則稱該系統(tǒng)為時(shí)不變系統(tǒng)（或非時(shí)變系統(tǒng)）；如果系統(tǒng)的參數(shù)隨時(shí)間改變，則稱該系統(tǒng)為時(shí)變系統(tǒng)（或參變系統(tǒng)）。

4.3語(yǔ)音信號(hào)處理

語(yǔ)音信號(hào)處理是研究用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理的一門學(xué)科，是在多門學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的綜合性技術(shù)。它涉及到數(shù)字信號(hào)處理、模式識(shí)別、語(yǔ)言學(xué)。生理學(xué)、心理學(xué)以及認(rèn)知科學(xué)和人工智能等許多學(xué)科領(lǐng)域。4.3.1概述

語(yǔ)音具有兩重屬性：一方面語(yǔ)音具有表意功能；另一方面語(yǔ)音畢竟是一種聲音，它是由人的頭腦中產(chǎn)生的一組神經(jīng)信號(hào)去控制發(fā)音器官，變成空氣的振動(dòng)信號(hào)然后由空氣傳遞到人的耳朵或受話器中的信號(hào)。

語(yǔ)音信號(hào)4.3.2語(yǔ)言信號(hào)處理的基本內(nèi)容

語(yǔ)言信號(hào)處理的基本內(nèi)容主要包括語(yǔ)音信號(hào)處理基礎(chǔ)、語(yǔ)音信號(hào)分析、語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別和說(shuō)話人識(shí)別等圖4-18語(yǔ)音處理基本內(nèi)容

1）語(yǔ)音信號(hào)處理基礎(chǔ)。語(yǔ)音信號(hào)是攜帶語(yǔ)音信號(hào)的語(yǔ)音聲波，經(jīng)過(guò)聲電轉(zhuǎn)換就得到語(yǔ)音的電信號(hào)，如果經(jīng)過(guò)聲光轉(zhuǎn)換就能得到語(yǔ)音的光信號(hào)。

了解語(yǔ)音信號(hào)的一些基本特性，應(yīng)該知道語(yǔ)音是如何由一些最基本的單位組成的;人類的發(fā)聲器官是如何產(chǎn)生聲音的，漢語(yǔ)語(yǔ)音有哪些特性，建立一個(gè)語(yǔ)音產(chǎn)生模型，以便于進(jìn)一步地學(xué)習(xí)和研究語(yǔ)音信號(hào)處理的方法；了解人類聽(tīng)覺(jué)的生理結(jié)構(gòu)與特征。

漢語(yǔ)聲調(diào)典型曲線圖

2）語(yǔ)音信號(hào)分析。語(yǔ)音信號(hào)分析是進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)處理的前提。根據(jù)所分析的參數(shù)不同，語(yǔ)音信號(hào)分析可以分為時(shí)域、頻域和倒譜域等方法。時(shí)域分析具有簡(jiǎn)單、運(yùn)算量小、物理意義明確等優(yōu)點(diǎn)，但更為有效的分析多是圍繞頻域進(jìn)行的，因?yàn)檎Z(yǔ)音中的最重要的感知特性反映在其功率譜中，而相位變化只起著很小的作用。語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域和頻域波形圖語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字模型

3）語(yǔ)音編碼。語(yǔ)音編碼是語(yǔ)音數(shù)字處理最重要的一種應(yīng)用。語(yǔ)音編碼的目的是用盡可能低的比特率來(lái)獲得盡可能高的合成語(yǔ)音質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音編碼（特別是中低速率語(yǔ)言編碼）的設(shè)備通常稱為聲碼器。雖然光纖通信和微波通信等系統(tǒng)可以提供很寬的頻帶，但在很多情況下仍然需要壓縮語(yǔ)音編碼速率以節(jié)省頻帶。

4)語(yǔ)音合成。語(yǔ)音合成的目的就是讓計(jì)算機(jī)說(shuō)話。最簡(jiǎn)單的語(yǔ)音合成應(yīng)當(dāng)是語(yǔ)音響應(yīng)系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)技術(shù)非常簡(jiǎn)單，在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立一個(gè)語(yǔ)音庫(kù)，將可能用到的單字、詞組或一些句子的聲音編碼后存入計(jì)算機(jī)，當(dāng)鍵入所要的字、詞組或句子代碼時(shí)，就能調(diào)出對(duì)應(yīng)的數(shù)碼信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成聲音。

5）語(yǔ)音識(shí)別。語(yǔ)音識(shí)別的作用是將語(yǔ)音轉(zhuǎn)換成等價(jià)的書(shū)面信息，也就是讓計(jì)算機(jī)聽(tīng)懂人說(shuō)話。日常生活中我們常見(jiàn)的一個(gè)例子，打電話者，通過(guò)電話機(jī)將自己的語(yǔ)音信號(hào)傳給語(yǔ)音處理電路，語(yǔ)音處理電路則根據(jù)獲取的語(yǔ)音信號(hào)，判別出說(shuō)話人的內(nèi)容，將聲音傳送給電話連接線路的另一方。語(yǔ)音識(shí)別語(yǔ)音“你好?”語(yǔ)音信號(hào)語(yǔ)音識(shí)別的簡(jiǎn)單應(yīng)用

目前語(yǔ)音識(shí)別已經(jīng)成為語(yǔ)音數(shù)字處理研究領(lǐng)域中的重點(diǎn)和難點(diǎn)技術(shù)。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)可以有許多分類方法，如根據(jù)語(yǔ)音識(shí)別對(duì)象可以分為孤立詞識(shí)別、連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別等；根據(jù)詞匯量可以分為小詞匯表（100個(gè)詞匯以下）、中詞匯表（100~500個(gè)詞）、大詞匯表（500詞以上）語(yǔ)音識(shí)別等；

語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)模型

6）說(shuō)話人識(shí)別。說(shuō)話人識(shí)別的作用是根據(jù)語(yǔ)音辨別說(shuō)話人，廣義的語(yǔ)音識(shí)別也包括說(shuō)話人識(shí)別。

4.4數(shù)字圖像處理

數(shù)字圖像（DigitalImageProcessing,DIP）又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過(guò)程。數(shù)字圖像處理最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展到一定水平，人們開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)來(lái)處理圖形和圖像信息。數(shù)字圖像處理作為一門學(xué)科大約形成于20世紀(jì)60年代初期。

徘徊者7號(hào)登陸前拍攝的圖片。隨后他們又對(duì)探測(cè)飛船發(fā)回的近十萬(wàn)張照片進(jìn)行更為復(fù)雜的圖像處理，獲得月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，取得非凡的成果，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

徘徊者登陸圖片

數(shù)字圖像處理取得的另一個(gè)巨大成就就是在醫(yī)學(xué)上獲得的成果。1975年EMI公司又成功研制出全身用的ＣＴ裝置，獲得人體各個(gè)部位鮮明清晰地?cái)鄬訄D像，如圖4-25所示。1979年，這項(xiàng)無(wú)損傷診斷技術(shù)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，表明它對(duì)人類做出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。

胸部X射線

4.4.1數(shù)字圖像處理的基本內(nèi)容圖像的采集（通過(guò)采集設(shè)備如數(shù)碼相機(jī)、掃描儀等將圖像數(shù)字化）；儲(chǔ)存；數(shù)字圖像處理（如圖像變換、編碼、圖像增強(qiáng)、去噪等）；然后再次進(jìn)行儲(chǔ)存等幾個(gè)步驟。

圖像處理的過(guò)程

1）圖像變換。由于圖像陣列很大，直接在空間域中進(jìn)行處理