信号处理与数据分析绪论精要

《信号处理与数据分析绪论精要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号处理与数据分析绪论精要（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2015/9/23大连理工大学1 信号处理与数据分析 Signal Processing and Data Analysis 大连理工大学硕士研究生校管课程 电子信息与电气工程学部 邱天爽 2015年9月 2015/9/23大连理工大学2 第0章 绪 论 大连理工大学硕士研究生校管课程 信号处理与数据分析 电子信息与电气工程学部 邱天爽 2015年9月 2015/9/23大连理工大学3 内容概要 0.1 信号处理的意义与用途 0.2 信息与信号的概念 0.3 系统的概念 0.4 信号分析与处理的内容 0.5 信号分析处理的基本方法 0.6 本课程的主要内容 2015/9/23大连理工大学4 0

2、.1 信号处理的意义与用途 2015/9/23大连理工大学5 信号处理的概念 信号处理：使用系统对含有信息的信号进行处理（ 变换），以获得人们所希望的信号，从而达到提取 信息、便于利用的目的。 信号处理的主要内容包括滤波、变换、检测、谱分 析、估计、压缩、识别等一系列的信号加工。 2015/9/23大连理工大学6 信号处理技术的发展概况 20世纪60年代前，信号处理主要依靠模拟仪器实 现。 随着计算机技术、大规模集成电路技术的发展和数 字信号处理算法上的突破，自20世纪60年代以来， 信号处理主要由数字信号处理来完成。 1965年，库利和图基提出了快速傅里叶变换算法， 使计算离散傅里叶变换的速

3、度提高了几个数量级。 是数字信号处理逐步走向实用。 20世纪70年代以后，信号处理新算法不断出现。美 国TI公司于1980年代推出了DSP芯片，进一步推动 了信号处理技术的发展。 2015/9/23大连理工大学7 美国TI公司推出的DSP芯片： 2015/9/23大连理工大学8 DSP开发系统： 2015/9/23大连理工大学9 信号处理技术的发展概况（续） 20世纪90年代以来，出现了计算机虚拟仪器，以美 国NI公司的Labview为代表，将传统的仪器与计算 机结合起来。 虚拟仪器套件 2015/9/23大连理工大学10 信号处理技术的发展概况（续2） 20世纪80年代以来至今，信号处理新理

4、论，信算法 不断涌现： 非平稳信号处理：时频分析、小波变换、希尔伯 特黄变换等； 非高斯信号处理：高阶累积量与高阶谱、分数低 阶统计量、相关熵等； 非线性信号处理：分形、混沌、人工神经网络； 信号分离方法：独立分量分析 2015/9/23大连理工大学11 信号处理技术的主要内容 离散时间线性时不变系统分析； 离散时间信号的时域及频域分析、离散傅里叶变换； 信号的采集，包括A/D、D/A技术，信号采样理论等； 数字滤波、谱分析与快速傅里叶变换，卷积与相关； 自适应信号处理； 估计理论，包括谱估计与相关函数估计； 信号的压缩，包括语音与图像的压缩； 信号的建模与信号的重建； 信号处理的实现与应用等

5、 2015/9/23大连理工大学12 信号处理技术的主要应用 汽车技术： 自适应驾驶；防滑制动；移动通信；数字音响；发动机控制； 全球定位；导航；振动分析；语音命令 消费电子： 数字音响/电视；教育玩具；音乐合成；传呼机；动力工具； 雷达检测器；固体应答机 控制： 磁盘/光盘驱动；发动机控制；激光打印机控制；电动机控制 ；机器人控制；伺服控制 通用设备： 自适应滤波；卷积；相关；数字滤波；FFT，波形产生 2015/9/23大连理工大学13 信号处理技术的主要应用（续） 图形图像： 3D计算；动画与数字图画；图像压缩与变换；图像增强；模 式识别；机器视觉 工业： 数字控制；生产线监控；机器人；

6、安全入口监控 仪器仪表： 数字滤波；函数发生；模式匹配；锁相环；地震信号处理；谱 分析；过渡过程分析 医疗： 诊断设备；胎儿监测；助听；患者监测；超声设备；CT； MRI 2015/9/23大连理工大学14 信号处理技术的主要应用（续2） 军事应用： 图像处理；导弹制导；导航；雷达信号处理；射频调制解调； 保密通信；声纳信号处理 通信技术： 调制解调器；自适应均衡器；基站；移动通信；信道复用；数 据加密；数字交换机；数字语音插值；编解码；回波抵消；传 真；个人通信系统；个人数字处理（PAD）；扩频技术； xDSL；视频会议；分组交换 视频/语音 说话人识别；语音增强；语音识别；语音合成；语音邮

7、件 2015/9/23大连理工大学15 信号处理技术涉及众多学科； 信号处理技术应用于众多领域； 信号处理有自己完整的理论体系； 信号处理以最快的速度形成相关产业； 信号处理学科有着极其美好的发展前景； 它将为经济建设和科学技术发展做出自己 的贡献； 让我们好好学习，努力掌握，广泛应用！ 2015/9/23大连理工大学16 0.2 信息与信号的概念 2015/9/23大连理工大学17 信息（Information）的概念 信息一词在我国历史悠久，南唐时期诗人李中有诗 云：“梦断美人沉信息，目穿长路依楼台”。在这里 ，信息泛指音讯和消息。 英文中Information一词的词根为infor，是通

8、知的意 思，即被告知的事实或知识。 以上关于“信息”的说明，均不是作为科学名词或技 术术语出现的。 查1985年版的词海，遗憾的是，未发现“信息” 词目。但有文字称“信息论是利用数学方法，研究信 息的计量、传送、变换和存储的一门科学”。 2015/9/23大连理工大学18 信息的定义 定义1：信息是关于事物运动状态或存在方式不确定性的 描述。 定义2：信息是指对消息的接受者来说预先不知道的报 道。 举例（信息与消息的区别） 例1：甲告诉乙说：“你考上了研究生”，那么乙就获得了信息（消 除了不确定性）。如果丙又告诉乙同样的话，此时，对乙来说， 他只是得到了一条消息，并没有获得其他任何信息。（前提

9、：消 息是正确的） 例2：关于天气预报：某人从中央台的天气预报中得到“明天晴转 多云”的消息，随后又从北京台得到同样的消息。则第一次的消息 对于某人来说是信息，第二次的则是消息，因为没有新的信息。 2015/9/23大连理工大学19 信息与消息 消息的定义 用文字、符号、数据、语言、音符、图片、图像等能够被人们感 觉器官所感知的形式，把客观物质运动和主观思维活动的状态表 达出来就称为消息。 没有说明接受者的情况。 从通信的角度来说明 通信过程是进行消息的传输；其目的是消除接收端的不确定性； 通过通信，不确定性消除了，就获得了信息。 信息是可以计量的 事件发生的可能性越小，使人感到惊奇与意外，其

10、信息量，即 消息中的信息量与事件发生的概率紧密相关； 信息量的大小与消息的种类和事件的重要程度无关 2015/9/23大连理工大学20 信息量计算举例 若 ，则信息量的单位为bit； 若 ，则信息量的单位为nat； 若 ，则信息量的单位为哈特莱； 为消息出现的概率。 举例 例：字母e的概率为P(e)=0.105，则其信息量为I(e)=3.24bit 例：字母q的概率为P(q)=0.001，则其信息量为I(q)=9.97bit 2015/9/23大连理工大学21 信号（Signal）的概念 定义1：信号是信息的携带者，是信息的载体。 定义2：把消息变换成适合信道传输的物理量，这 种物理量称为信号

11、（如电信号、光信号、声信号、 生物信号等等）。 信号与信息的区别 信号是一个物理量，可测量、可描述、可显示，它 携带着消息，是消息的运载工具。 信息与信号有着本质的区别，信号是载荷信息的实 体，信号仅仅是外壳，信息则是内核。 2015/9/23大连理工大学22 信号的分类 连续时间信号 ：自变量是连续的。 离散时间信号 ：自变量是离散的。 【例0.1】（连续时间信号与离散时间信号，li1_1.m） 2015/9/23大连理工大学23 周期性信号： 非周期性信号：不满足上述关系。 【例0.2】（周期与非周期性信号，li1_2.m） 2015/9/23大连理工大学24 奇对称信号： 偶对称信号：

12、【例0.3】（奇对称信号与偶对称信号，li1_3.m） 2015/9/23大连理工大学25 一维信号： 多维信号： 【例0.4】（二维信号即图像信号举例） 2015/9/23大连理工大学26 确定性信号：可以用数学解析式表示 随机信号：不能用数学解析式表示 【例0.5】（确定性与随机信号举例，li1_5） 2015/9/23大连理工大学27 0.3 系统的概念 2015/9/23大连理工大学28 系统（System）的概念 为实现规定功能以达到某一目标而构成的相互关联 的一个集合体或装置(部件)。 系统泛指由一群有关联的个体组成，根据预先编排 好的规则工作，能完成个别元件不能单独完成的工 作的

13、群体。系统分为自然系统与人为系统两大类。 一群有相互关联的个体组成的集合称为系统。 系统的两个要素： 系统中至少包含两个不同元素； 系统中的元素按一定方式相互联系 2015/9/23大连理工大学29 关于系统的进一步说明 系统的存在性：系统是普遍存在的，在宇宙间，从基本粒子 到河外星系，从人类社会到人的思维，从无机界到有机界， 从自然科学到社会科学，系统无所不在。大致分为自然系 统、人工系统、复合系统。 自然系统：系统内的个体按自然法则存在或演变，产生或形 成一种群体的自然现象与特征。例：生命系统，天体系统等 人工系统：系统内的个体根据人为的、预先编排好的规则或 计划好的方向运作，以实现或完成

14、系统内各个体不能单独实 现的功能、性能与结果。例：计算机系统，教育系统 复合系统：是自然系统和人工系统的组合。例：人机系统， 导航系统 2015/9/23大连理工大学30 一个复合系统的例子：脑机接口（BCI） 2015/9/23大连理工大学31 典型的通信系统 单工（Simplex Transmission）：消息只能单方向传输 半双工（ Half-duplex Transmission ）：双方均能发消息，但是不 能同时收或同时发 全双工（Full-duplex Transmission）：双方均可同时收发消息 2015/9/23大连理工大学32 通信系统几个要素 Source（信源）:

15、信息的发生地；把消息变成电信号。 信源编码：对信源进行压缩、加密等操作，称为信源编码 Destination（信宿）:信息的接收者，将信号转变为消 息。 Transmitter（发送设备）: 将信源输出的信号变换成适 合信道传输的形式，并送往信道，又称为信道编码 Channel（信道）:信号传输的通道。 Receiver（接收设备）:把接收到的信号恢复成原始信号 ，即解调、译码、解密等。 Noise（噪声）:传输过程中必然引入的非信息信号，如 热噪声、脉冲噪声、干扰与衰落等 2015/9/23大连理工大学33 调制的作用 有效地辐射电磁波，增加辐射距离。 天线尺寸与信号波长相当时辐射效率较高。 语音信号的波长大约为100km，工程不易实现。 进行频率管理。 提高系统的抗干扰和保密能力。 主要的调制方式 模拟调制 AM，FM，PM 数字调制 ASK，FSK，PSK， 2015/9/23大连理工大学34 典型的数据通信系统 2015/9/23大连理工大学35 Simplified Data Com