《信號的調(diào)理與記錄》課件

信號的調(diào)理與記錄信號調(diào)理是指對原始信號進行處理，使其符合后續(xù)處理的要求。記錄是指將信號保存下來，以便后續(xù)分析和研究。課程概述課程目標了解信號的基本概念和分類，掌握信號的特性和基本變換。課程內(nèi)容涵蓋信號的調(diào)理、記錄、采樣和分析等方面，并介紹相關(guān)應用。學習方法理論講解、案例分析和實驗操作相結(jié)合，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。信號的定義變化的信息載體信號是信息的載體，反映了事物隨時間或空間的變化。物理量信號通常用物理量來表示，例如電壓、電流、聲音、光波等。傳遞信息信號可以通過各種媒介進行傳遞，例如電線、無線電波、光纖等。信號的分類11.連續(xù)信號與離散信號連續(xù)信號是時間連續(xù)變化的信號。離散信號是時間離散變化的信號，例如，數(shù)字信號。22.單變量信號與多變量信號單變量信號只有一個變量，例如，溫度信號。多變量信號有多個變量，例如，三維空間坐標信號。33.確定性信號與隨機信號確定性信號的未來值可以完全預測。隨機信號的未來值無法完全預測。44.周期信號與非周期信號周期信號在一定時間內(nèi)重復出現(xiàn)。非周期信號不會重復出現(xiàn)。連續(xù)信號變化連續(xù)信號隨時間連續(xù)變化，沒有間斷點。信號值在任何時刻都存在。模擬信號音頻信號、視頻信號、溫度、壓力等現(xiàn)實世界中的信號大多屬于連續(xù)信號。離散信號離散數(shù)據(jù)點離散信號由一系列獨立數(shù)據(jù)點組成，而不是連續(xù)函數(shù)。時間間隔采樣這些數(shù)據(jù)點在特定時間間隔內(nèi)采集，代表連續(xù)信號的近似值。單變量信號1一個變量單變量信號僅用一個變量來表示，例如時間或空間。2簡單分析單變量信號相對易于分析和理解，因為它們只描述一個量。3常見類型溫度、壓力、速度等都是單變量信號的常見例子。多變量信號定義多變量信號指的是由多個獨立變量組成的信號，它們相互影響并共同反映系統(tǒng)狀態(tài)。例子例如，描述飛機飛行狀態(tài)的信號，可能包括速度、高度、方向等多個變量。應用多變量信號廣泛應用于控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析和信號處理等領(lǐng)域，用于更全面地理解系統(tǒng)行為。確定性信號已知信號確定性信號是指其未來行為可由數(shù)學公式或關(guān)系式完全描述的信號。確定性信號的特征是它的行為是可預測的。可預測性例如，正弦波信號可以用一個簡單的公式表示，因此其在任何時間點的值都可以精確地計算出來。例子確定性信號在現(xiàn)實生活中有很多例子，例如電源電壓、音頻信號、鐘表指針的運動等等。隨機信號不確定性隨機信號的未來值無法預測，其變化是不可預測的，無法用數(shù)學公式精確描述。統(tǒng)計特性隨機信號可以用統(tǒng)計方法來描述，例如，平均值、方差和概率分布。噪聲噪聲是一種常見的隨機信號，在信號傳輸和測量過程中不可避免地存在。信號的特性幅度信號的幅度表示信號強度的變化范圍，通常以電壓、電流或功率表示。頻率信號的頻率是指信號每秒鐘變化的次數(shù)，通常以赫茲(Hz)表示。周期信號的周期是指信號完成一個完整循環(huán)所需的時間，是頻率的倒數(shù)。相位信號的相位是指信號相對于參考點的起始位置，用于描述信號的時序關(guān)系。幅度信號幅度是指信號的強度或大小，是信號最重要的特征之一。例如，聲音信號的幅度決定了聲音的響度，而光信號的幅度則決定了光線的亮度。頻率頻率是指信號在單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)。通常以赫茲（Hz）作為單位，表示每秒完成的周期數(shù)。頻率反映了信號變化的快慢。頻率越高，信號變化越快。周期周期是信號重復出現(xiàn)的規(guī)律性特征。周期信號在一段時間內(nèi)重復自身形狀，形成循環(huán)。周期可以用時間或其他測量單位表示。T周期信號完成一個完整循環(huán)所需的時間f頻率信號在一個時間單位內(nèi)重復的次數(shù)相位相位是指信號在一個周期內(nèi)相對于參考點的偏移量，它描述了信號波形的起始位置。相位通常以角度或弧度表示，以度數(shù)或弧度為單位。相位是描述信號的重要參數(shù)，它影響著信號的形狀、頻率、周期和時間延遲等特性。信號的基本變換1平移信號沿時間軸移動2伸縮信號沿時間軸壓縮或拉伸3反射信號關(guān)于時間軸對稱這些變換可以用來改變信號的形狀和位置，以便更好地分析和處理信號。平移1定義平移是指信號沿時間軸或頻率軸移動，不改變信號的形狀。2時間平移將信號在時間軸上移動，相當于延遲或提前。3頻率平移將信號在頻率軸上移動，改變信號的中心頻率。伸縮橫向伸縮信號的橫向伸縮改變信號的持續(xù)時間，通常用時間壓縮或擴展來描述?？v向伸縮信號的縱向伸縮調(diào)整信號的幅度，可通過放大或衰減來實現(xiàn)。伸縮作用伸縮是信號處理中的基本操作，用于調(diào)整信號的形狀和特征，使其更適合后續(xù)處理或分析。反射信號反射當信號在傳輸路徑中遇到阻抗不匹配時，會發(fā)生反射現(xiàn)象。光波反射光波在不同介質(zhì)的交界面發(fā)生反射，形成反射光。聲波反射聲波在遇到障礙物時發(fā)生反射，形成回聲。調(diào)理電路信號處理電路用于對信號進行處理，使信號符合后續(xù)處理的要求。放大放大信號的幅度，提高信號強度。濾波去除信號中的干擾和噪聲。整形調(diào)整信號的波形，使其符合特定要求。濾波器濾波器功能濾波器可以濾除信號中的噪聲，提取特定頻率范圍的信號。它們可以用于各種應用，例如音頻系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和醫(yī)學設備。濾波器類型常見的濾波器類型包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。它們根據(jù)頻率特性進行分類，例如僅允許特定頻率范圍通過或阻塞特定頻率范圍。放大器信號增強放大器能夠提高信號強度，使信號更容易被后續(xù)的電路處理。類型多樣放大器有多種類型，如運算放大器、差分放大器、功率放大器等，不同的類型應用于不同的場合。應用廣泛放大器廣泛應用于各種電子設備，包括音頻設備、通信設備、測量儀器等。積分器定義積分器是一種模擬電路，它可以將輸入信號的積分值作為輸出信號。它通常用作模擬電路中的低通濾波器。功能積分器可以將輸入信號的面積作為輸出信號。例如，如果輸入信號是三角波，則積分器的輸出信號將是拋物線。微分器11.信號變化率微分器用于測量輸入信號的變化率。輸出信號的幅度與輸入信號的變化速率成正比。22.尖峰檢測微分器可以用來檢測信號中的尖峰或邊緣，因為這些點是信號變化最快的點。33.噪聲抑制微分器可以用來抑制高頻噪聲，因為高頻噪聲的變化率比信號本身的變化率要快。信號采樣模擬信號連續(xù)變化的信號，例如聲音、電壓等。采樣過程將模擬信號在時間上離散化，獲取一系列離散數(shù)據(jù)點。采樣頻率每秒鐘采集樣本的次數(shù)，決定了采樣信號的精度。采樣定理采樣頻率必須大于信號中最高頻率的2倍，才能保證不丟失信息。采樣定理采樣定理闡述了將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為離散信號時的重要原則，它指出采樣頻率必須至少是信號最高頻率的兩倍才能準確重建原始信號。2Nyquist采樣頻率1最高信號頻率如果采樣頻率低于此臨界值，將會發(fā)生混疊現(xiàn)象，導致重建信號失真。A/D轉(zhuǎn)換1采樣將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為離散信號，以一定時間間隔對信號進行采樣。2量化將采樣后的離散信號量化為有限個離散值，將連續(xù)幅度值轉(zhuǎn)換為離散數(shù)值。3編碼將量化后的離散數(shù)值轉(zhuǎn)換為二進制編碼，以便計算機進行處理和存儲。D/A轉(zhuǎn)換1數(shù)字信號數(shù)字信號由一系列離散值表示。2轉(zhuǎn)換數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。3模擬信號模擬信號是連續(xù)的，可以在任何時刻取值。D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。它通過一系列步驟將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。量化誤差量化誤差模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號過程中產(chǎn)生的誤差量化級模擬信號被量化后的離散值量化噪聲量化誤差引起的隨機噪聲量化誤差是由于模擬信號的連續(xù)值被量化成離散值而產(chǎn)生的，它是數(shù)字信號處理中不可避免的誤差。信號記錄數(shù)字化存儲將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于存儲和處理。數(shù)字信號可以存儲在計算機硬盤、內(nèi)存或其他存儲設備中。信號記錄設備包括示波器、數(shù)據(jù)采集卡、錄音機等。信號記錄可以用于分析、處理和存儲信號，以便于日后訪問和分析。數(shù)字化存儲閃存存儲閃存芯片是現(xiàn)代信號記錄的主要存儲介質(zhì)之一，提供高速度、高容量和耐用性。硬盤存儲傳統(tǒng)硬盤存儲技術(shù)仍然是大型信號記錄系統(tǒng)常用的存儲介質(zhì)，其優(yōu)點在于容量大、價格低廉。云存儲云存儲服務為信號數(shù)據(jù)提供了一個可靠、可擴展且安全的備份和存儲方案，便于遠程訪問和協(xié)作。信號的分析時域分析觀察信號隨時間變化的規(guī)律。頻域分析分析信號包含的頻率成分。統(tǒng)計分析計算信號的平均值、方差等統(tǒng)計指標。時域分析時域分析是研究信號隨時間變化規(guī)律的方法。它通過觀察信號在不同時間點的幅度變化來理解信號的特征。1信號波形觀察信號的波形2幅值分析信號在不同時間點的幅值3持續(xù)時間測量信號的持續(xù)時間4上升時間測量信號從低電平上升到高電平的時間5下降時間測量信號從高電平下降到低電平的時間頻域分析1傅里葉變換