资源描述
第四章第四章 信号的分析及处理技术信号的分析及处理技术 在人类社会活动中，人们经常以语言、文字、在人类社会活动中，人们经常以语言、文字、图形和数据等方式传播和接收消息，所谓消息可以图形和数据等方式传播和接收消息，所谓消息可以认为是通过一定手段所表达的感觉、思想和意见等。认为是通过一定手段所表达的感觉、思想和意见等。从维持生存及完成社会职能等角度来说，人类必须从维持生存及完成社会职能等角度来说，人类必须不停地进行各种消息的传递和交换。在人类较早的不停地进行各种消息的传递和交换。在人类较早的时期，便有结绳记事、击鼓传情和烽火报警等简单时期，便有结绳记事、击鼓传情和烽火报警等简单的信息表达和信息传递方式的信息表达和信息传递方式 。早期的信息表达和传递方式早期的信息表达和传递方式 消息消息是信息的载体，信息是消息中蕴含的尚是信息的载体，信息是消息中蕴含的尚未确定的内容。若把消息这个载体以物理量的形未确定的内容。若把消息这个载体以物理量的形式表现出来，如用声、光、电、偏移、速度、加式表现出来，如用声、光、电、偏移、速度、加速度、温度、湿度和颜色等代替消息，则构成信速度、温度、湿度和颜色等代替消息，则构成信号。这就是说，号。这就是说，信号信号只是消息的一种物理表现形式，因此消息与只是消息的一种物理表现形式，因此消息与信息的关系，也就是信号与信息的关系，即信号信息的关系，也就是信号与信息的关系，即信号也是信息的载体，反映信息的物理量。从信息的也是信息的载体，反映信息的物理量。从信息的传输和处理的角度来说，信号较之消息的其他表传输和处理的角度来说，信号较之消息的其他表现形式，现形式，4.1 4.1 概述概述4.1.1 4.1.1 信号的定义与描述信号的定义与描述 任何携带信息的物理量皆可以作为任何携带信息的物理量皆可以作为信号信号。信号处。信号处理的目的就是要从一大堆混合的、杂乱的信息中提取理的目的就是要从一大堆混合的、杂乱的信息中提取或增强有用的信息。因此，信号处理的实质就是提取、或增强有用的信息。因此，信号处理的实质就是提取、增强、存储和传输有用信息的一种运算。增强、存储和传输有用信息的一种运算。数学上，信号可以描述为一个或若干个自变量的数学上，信号可以描述为一个或若干个自变量的函数或序列的形式。信号的另外一种描述方式是函数或序列的形式。信号的另外一种描述方式是“波波形形”描述。描述。“频谱频谱”也是信号的描述方法之一，它是也是信号的描述方法之一，它是频率的函数，可以与表示信号的函数或序列一一对应。频率的函数，可以与表示信号的函数或序列一一对应。所谓所谓信号分析信号分析，就是通过解析方法或测，就是通过解析方法或测试方法找出不同信号的特征，从而了解其特试方法找出不同信号的特征，从而了解其特性，掌握它随时间或频率变化的规律的过程。性，掌握它随时间或频率变化的规律的过程。所谓所谓信号处理信号处理，就是指通过对信号的变，就是指通过对信号的变换和加工，把一个信号变换成另一个信号的换和加工，把一个信号变换成另一个信号的过程。因此，也可以把信号处理理解为为了过程。因此，也可以把信号处理理解为为了特定的目的，通过一定的手段改造信号的过特定的目的，通过一定的手段改造信号的过程。程。4.1.2 信号分析和处理的目的及方法信号分析和处理的目的及方法 信号分析和处理的基本方法信号分析和处理的基本方法 4.1.3 4.1.3 信号处理基本内容信号处理基本内容 例例1 1：在生活实践中我们发现有的汽车喇叭比：在生活实践中我们发现有的汽车喇叭比较好，有的喇叭则在近处听了刺耳，远处又听不较好，有的喇叭则在近处听了刺耳，远处又听不清晰。图清晰。图4-3(a)4-3(a)、(c)(c)为两种喇叭声在时域中的为两种喇叭声在时域中的波形图，图中我们很难看出喇叭的质量差别。但波形图，图中我们很难看出喇叭的质量差别。但如果分别把它们的时域波形作频谱分析后如果分别把它们的时域波形作频谱分析后(取样频取样频率为率为8kHz)8kHz)，得频谱图，得频谱图4-3(b)4-3(b)、(d)(d)，从中就很容，从中就很容易看出差异，好的喇叭频谱图主要含有三个频谱易看出差异，好的喇叭频谱图主要含有三个频谱分量分量(又称三音又称三音)，所以后者，所以后者(对应于时域波形图对应于时域波形图c c和的频谱图和的频谱图d)d)的质量明显优于前者。的质量明显优于前者。喇叭声音对比图喇叭声音对比图 我们区分了喇叭音质的好坏，用到了频域分我们区分了喇叭音质的好坏，用到了频域分析法。所谓频域分析法就是傅里叶分析法，析法。所谓频域分析法就是傅里叶分析法，它是变换域分析法的基石。它是变换域分析法的基石。一般来说，信号总是杂乱的，但实际上一般来说，信号总是杂乱的，但实际上这种杂乱常常是正弦波的简单迭加，其次，这种杂乱常常是正弦波的简单迭加，其次，信号的频率表示更有利于信号辨别、分离、信号的频率表示更有利于信号辨别、分离、传输等。更重要的是用频谱来分析一个波形，传输等。更重要的是用频谱来分析一个波形，就可以了解到波形源的某些信息因。就可以了解到波形源的某些信息因。在信号的实际处理中我们除了进行必要的频域在信号的实际处理中我们除了进行必要的频域变换外，还需要对信号进行滤波处理。变换外，还需要对信号进行滤波处理。这是因为理想的信号是不存在的，信号总会或这是因为理想的信号是不存在的，信号总会或多或少的受到噪声的影响。多或少的受到噪声的影响。为了优化信号处理的效果为了优化信号处理的效果，我们必须设法将噪，我们必须设法将噪声的影响降到最低，这就要用到滤波的原理。即声的影响降到最低，这就要用到滤波的原理。即通过滤波器将信号中不需要的成分尽可能的滤除，通过滤波器将信号中不需要的成分尽可能的滤除，保留信号中的有用成分。保留信号中的有用成分。(a)低通低通(b)高通高通(d)带阻带阻(c)带通带通 理想滤波器频率特性理想滤波器频率特性 频谱变换可以使我们更好的了解信号信息，频谱变换可以使我们更好的了解信号信息，更好的分析信号的特性。但傅里叶变换的计算过更好的分析信号的特性。但傅里叶变换的计算过程是复杂的，特别是对于模拟信号的频域变换，程是复杂的，特别是对于模拟信号的频域变换，很难在计算机上操作。很难在计算机上操作。19651965年，美国库利（年，美国库利（J JW WCooleyCooley）和图基）和图基（J JW WTukeyTukey）提出了快速傅里叶变换计算方）提出了快速傅里叶变换计算方法，这不仅大大降低了变换运算的次数，也简化法，这不仅大大降低了变换运算的次数，也简化了计算结果的存储。了计算结果的存储。模拟信号进行数字化模拟信号进行数字化信号抽样信号抽样模拟信号经过数字化处理的过程框图模拟信号经过数字化处理的过程框图。模拟信号与数字信号相互转换模拟信号与数字信号相互转换4.2 4.2 信号分析和处理的基础知识信号分析和处理的基础知识4.2.1 4.2.1 信号的分类信号的分类 在介绍信号的分类方式前，我们先来看实在介绍信号的分类方式前，我们先来看实际生活中的两个例子。际生活中的两个例子。例例2 2：某减速机振动测点布置图如图：某减速机振动测点布置图如图4-74-7所所示。在该机械系统中，示。在该机械系统中，回转体不平衡引起的回转体不平衡引起的振动，往往是一种周期性运动，由测点振动，往往是一种周期性运动，由测点3 3测到测到的信号波形如图的信号波形如图4-84-8。从图中波形我们可以看。从图中波形我们可以看到，可以近似地看作为周期信号。到，可以近似地看作为周期信号。某减速机振动某减速机振动测点布置图测点布置图 某减速机测点某减速机测点3 3振动信号波形振动信号波形 例例3 3：锤子的敲击力、承载缆绳断裂时的应力：锤子的敲击力、承载缆绳断裂时的应力变化、热电偶插入加热炉中温度的变化过程等，变化、热电偶插入加热炉中温度的变化过程等，这些信号都属于瞬变非周期信号，并且可用数学这些信号都属于瞬变非周期信号，并且可用数学关系式（指数函数和正弦函数）描述。例如，图关系式（指数函数和正弦函数）描述。例如，图4-94-9是单自由度振动模型在脉冲力作用下的响应。是单自由度振动模型在脉冲力作用下的响应。单自由度振动模型在脉冲力作用下的响应单自由度振动模型在脉冲力作用下的响应 为了深入了解信号的物理实质，将其进行分为了深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的。下面将从不同的角度来对类研究是非常必要的。下面将从不同的角度来对信号进行分类。信号进行分类。确定性信号和随机性信号确定性信号和随机性信号 2 2）周期信号与非周期信号）周期信号与非周期信号 在规则信号之中又可分为周期信号与非周在规则信号之中又可分为周期信号与非周期信号。所谓周期信号就是依一定时间间隔周期信号。所谓周期信号就是依一定时间间隔周而复始，而且是无始无终的信号，它们的表示而复始，而且是无始无终的信号，它们的表示式可以写作式可以写作 ,0,1,2,f tf tnTn满足此关系式的最小满足此关系式的最小T T值称为信号的周期。值称为信号的周期。周期信号的两种形式-15-10-5051015-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81(a)连续信号连续信号(b)离散信号离散信号 4-10 4-10 周期信号周期信号 3 3）连续时间信号和离散时间信号）连续时间信号和离散时间信号 在自变量的整个连续区间内都有定义的信在自变量的整个连续区间内都有定义的信号是连续时间信号，简称连续信号。需要说明号是连续时间信号，简称连续信号。需要说明的是，这里的的是，这里的“连续连续”指的是定义域，信号的指的是定义域，信号的值域可以是连续的，也可以不是连续的。值域可以是连续的，也可以不是连续的。仅在一些离散的时间点上才有定义的信号仅在一些离散的时间点上才有定义的信号称为离散时间信号，简称离散信号。同样，这称为离散时间信号，简称离散信号。同样，这里的里的“离散离散”指的是定义域，其值域可以是连指的是定义域，其值域可以是连续的，也可以是不连续的。续的，也可以是不连续的。-25-20-15-10-50510152025-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81离散余弦信号信号离散余弦信号信号 4)4)模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号 一个数字信号，各离散时刻的值只取一个数字信号，各离散时刻的值只取“0”0”或或“1”1”。数字信号。数字信号般都是通过把模拟信号经般都是通过把模拟信号经过模数转换过模数转换(A/D)(A/D)后得到。后得到。数字信号数字信号5)5)因果信号与非因果信号因果信号与非因果信号 如果一个信号只在自变量的正半轴左闭如果一个信号只在自变量的正半轴左闭区间区间0,+)0,+)才取非零值，而在才取非零值，而在(-(-，0)0)开区间内取值均为零值，那么这样的信号就开区间内取值均为零值，那么这样的信号就称为因果信号，否则就称为非因果信号。称为因果信号，否则就称为非因果信号。6 6）一维信号与多维信号）一维信号与多维信号 从数学表达式来看，信号又可以表示为一从数学表达式来看，信号又可以表示为一个或多个变量的函数。个或多个变量的函数。语音信号可以表示为声压随时间变化的函语音信号可以表示为声压随时间变化的函数，这是一维信号。而一张黑白图像每个点数，这是一维信号。而一张黑白图像每个点(像素像素)具有不同的光强度，任一点又是二维平具有不同的光强度，任一点又是二维平面坐标中两个变量的函数，这是二维信号。实面坐标中两个变量的函数，这是二维信号。实际上，还可以出现更多维变量的信号。例如，际上，还可以出现更多维变量的信号。例如，电磁波在三维空间传播，同时考虑时间变量而电磁波在三维空间传播，同时考虑时间变量而构成四维信号。构成四维信号。语音信号语音信号4.2.2 4.2.2 典型信号及其基本特性典型信号及其基本特性 在信号处理问题研究的中，经常会遇到在信号处理问题研究的中，经常会遇到一些典型的连续时间信号，如正弦信号、指一些典型的连续时间信号，如正弦信号、指数信号、抽样函数、冲激信号等。熟练掌握数信号、抽样函数、冲激信号等。熟练掌握这些信号的表达式及性质对进一步研究十分这些信号的表达式及性质对进一步研究十分有意义。有意义。典型信号典型信号4.2.3 4.2.3 系统的概念系统的概念 系统一般可定义为由若干个相互依赖的系统一般可定义为由若干个相互依赖的事物组成的具有特定功能的整体。例如太阳事物组成的具有特定功能的整体。例如太阳系、人的神经组织系统、原子结构等属于自系、人的神经组织系统、原子结构等属于自然系统；交通运输网、大型计算机等属于人然系统；交通运输网、大型计算机等属于人工系统；社会经济、政治结构等属于非物理工系统；社会经济、政治结构等属于非物理系统；机械传动系统、通信网、电力网等属系统；机械传动系统、通信网、电力网等属于物理系统。因此系统是一个并不陌生的应于物理系统。因此系统是一个并不陌生的应用非常广泛的概念。用非常广泛的概念。在信号分析与信息处理领域中所研在信号分析与信息处理领域中所研究的系统一般不是指应用中的一个具体究的系统一般不是指应用中的一个具体系统，系统，系统模型系统模型4.2.4 4.2.4 系统的分类系统的分类 1 1）连续时间系统与离散时间系统。若系统的）连续时间系统与离散时间系统。若系统的输入与输出都是连续时间信号，则称此系统为连输入与输出都是连续时间信号，则称此系统为连续时间系统。若系统的输入和输出都是离散时间续时间系统。若系统的输入和输出都是离散时间信号，则称此系统为离散时间系统。信号，则称此系统为离散时间系统。实际上，离散时间系统为连续时间系统经常实际上，离散时间系统为连续时间系统经常与连续时间系统组合运用，这种情况称为混合系与连续时间系统组合运用，这种情况称为混合系统。连续时间系统的数学模型是微分方程，离散统。连续时间系统的数学模型是微分方程，离散时间系统的数学模型则是差分方程时间系统的数学模型则是差分方程。例例4 4：简单力学系统如下图所示。在光滑平面：简单力学系统如下图所示。在光滑平面上，质量为上，质量为m m的钢性球体在水平外力的钢性球体在水平外力f(tf(t)的作用的作用下产生运动。设球体与平面间的摩擦力及空气阻下产生运动。设球体与平面间的摩擦力及空气阻力忽略不计。将外力力忽略不计。将外力f(tf(t)看作是系统的激励，看作是系统的激励，球体运动速度看作是系统的响应。球体运动速度看作是系统的响应。根据牛顿第根据牛顿第二定律，有二定律，有()()()dtf tma tmdt 图图4-15 4-15 力学系统力学系统 2 2）即时系统与动态系统）即时系统与动态系统 如果系统的输出信号只决定于同一时刻如果系统的输出信号只决定于同一时刻的激励信号而与其过去的工作状态的激励信号而与其过去的工作状态(历史历史)无无关，则称该系统为即时系统（或无记忆系关，则称该系统为即时系统（或无记忆系统）。统）。例如，只有电阻元件组成的电路系统就例如，只有电阻元件组成的电路系统就是即时系统。如果系统的输出信号不仅决定是即时系统。如果系统的输出信号不仅决定于同一时刻的激励信号，而且还与其过去的于同一时刻的激励信号，而且还与其过去的工作状态（历史）有关，则称该系统为动态工作状态（历史）有关，则称该系统为动态系统（或记忆系统）。系统（或记忆系统）。即时系统和动态系统即时系统和动态系统 3 3）线性系统与非线性系统。具有叠加性）线性系统与非线性系统。具有叠加性和齐次性的系统称为线性系统。和齐次性的系统称为线性系统。所谓叠加性是指当几个激励信号同时作所谓叠加性是指当几个激励信号同时作用于系统时，系统响应等于每个激励信号单用于系统时，系统响应等于每个激励信号单独作用于该系统所产生的响应之和。独作用于该系统所产生的响应之和。4 4）时变系统与时不变系统。如果系统的）时变系统与时不变系统。如果系统的参数不随时间而变化，则称该系统为时不变参数不随时间而变化，则称该系统为时不变系统（或非时变系统）；如果系统的参数随系统（或非时变系统）；如果系统的参数随时间改变，则称该系统为时变系统（或参变时间改变，则称该系统为时变系统（或参变系统）系统）。4.3 4.3 语音信号处理语音信号处理 语音信号处理是研究用数字信号处理技术语音信号处理是研究用数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门学科，是在多门对语音信号进行处理的一门学科，是在多门学科基础上发展起来的综合性技术。它涉及学科基础上发展起来的综合性技术。它涉及到数字信号处理、模式识别、语言学。生理到数字信号处理、模式识别、语言学。生理学、心理学以及认知科学和人工智能等许多学、心理学以及认知科学和人工智能等许多学科领域。学科领域。语音信号语音信号4.3.2 4.3.2 语言信号处理的基本内容语言信号处理的基本内容 语言信号处理的基本内容主要包括语音信号处语言信号处理的基本内容主要包括语音信号处理基础、语音信号分析、语音编码、语音合成、语理基础、语音信号分析、语音编码、语音合成、语音识别和说话人识别等音识别和说话人识别等图图4-18 4-18 语音处理基本内容语音处理基本内容4.44.4数字图像处理数字图像处理 数字图像（数字图像（Digital Image Processing,DIPDigital Image Processing,DIP）又称为计算机图像处理，是指将图像信号转换成又称为计算机图像处理，是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。数字图像处理最早出现于数字图像处理最早出现于2020世纪世纪5050年代，当年代，当时的计算机已经发展到一定水平，人们开始利用时的计算机已经发展到一定水平，人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。数字图像处理作计算机来处理图形和图像信息。数字图像处理作为一门学科大约形成于为一门学科大约形成于2020世纪世纪6060年代初期。年代初期。4.4.1 4.4.1 数字图像处理的基本内容数字图像处理的基本内容 图像的采集（通过采集设备如数码相机、扫图像的采集（通过采集设备如数码相机、扫描仪等将图像数字化）；储存；数字图像处理描仪等将图像数字化）；储存；数字图像处理（如图像变换、编码、图像增强、去噪等）；然（如图像变换、编码、图像增强、去噪等）；然后再次进行储存等几个步骤。后再次进行储存等几个步骤。图像处理的过程图像处理的过程 4.4 盲信号处理盲信号处理 在实际的应用中，多信号混合分离问题在实际的应用中，多信号混合分离问题在现实中更普遍，信号处理的对象往往不在现实中更普遍，信号处理的对象往往不是单个目标信号，而很有可能混叠有多个是单个目标信号，而很有可能混叠有多个目标信号。目标信号。图4-39 语音信号混合4.4.2 盲源分离的应用1语音信号的分离、提取和增强等技术2图像处理与识别3数字通信信号处理 4生物医学信号处理 4.5 计算机视觉计算机视觉o 计算机视觉（Computer Vision，CV）是用计算机来模拟人的视觉机理获取和处理信息的能力。形象地说，就是利用摄像机和电脑代替人眼使得计算机拥有类似于人类的那种对目标进行提取、分类、识别、跟踪、判别、决策的功能。本章结束语本章结束语 信号代表一个实际的物理信号，它是信信号代表一个实际的物理信号，它是信息的表现形式，信号处理的目的是削弱信息的表现形式，信号处理的目的是削弱信号中的多余内容，滤出混杂的噪声和干扰，号中的多余内容，滤出混杂的噪声和干扰，或者将信号变换成容易处理、传输、分析或者将信号变换成容易处理、传输、分析与识别的形式，以便后续的其它处理。与识别的形式，以便后续的其它处理。数字信号处理一般涉及三个步骤：数字信号处理一般涉及三个步骤：(1)(1)模数转换模数转换(A/D(A/D转换转换)：把模拟信号变成数字信号，是一个：把模拟信号变成数字信号，是一个对自变量和幅值同时进行离散化的过程，基本的理论保证是采样定对自变量和幅值同时进行离散化的过程，基本的理论保证是采样定理。理。(2)(2)数字信号处理数字信号处理(DSP)(DSP)：包括变换域分析：包括变换域分析(如频域变换如频域变换)、数、数字滤波、识别、合成等。字滤波、识别、合成等。(3)(3)数模转换数模转换(D/A(D/A转换转换)：把经过处理的数字信号还原为模拟：把经过处理的数字信号还原为模拟信号。通常，这一步并不是必须的。信号。通常，这一步并不是必须的。数字信号处理是数字信号处理是2121世纪中对科学和工程发展具有深远意义的一门技世纪中对科学和工程发展具有深远意义的一门技术，它所带来的革命性变化涉及到广泛领域，象通讯、医学图像处术，它所带来的革命性变化涉及到广泛领域，象通讯、医学图像处理、雷达和声纳、高保真音乐处理、石油勘探等。理、雷达和声纳、高保真音乐处理、石油勘探等。
展开阅读全文