管涛郑州航院计算机系easyguan@信号处理概论信号处理概论 2课程介绍课程介绍l l教学内容－学什么（教学内容－学什么（WhatWhat））è信号分析信号分析( (信号与系统信号与系统Signal & SystemSignal & System) )è信号处理信号处理( (Signal ProcessingSignal Processing) ) 3l l教学目的－为什么学（教学目的－为什么学（WhyWhy））è广泛的应用领域广泛的应用领域-计算机、通信、语音与图像处理-电路设计、自动控制、雷达、电视-声学、地震学、化学过程控制-经济预测、财务统计、市场信息、股市分析等è全球科技革命以信息技术为核心全球科技革命以信息技术为核心è为专业课程提供基本的方法为专业课程提供基本的方法 4l l课程特点和学习方法－怎么学（课程特点和学习方法－怎么学（howhow））è基础理论性强：基础理论性强：-物理概念、数学概念和工程概念并重-着重掌握信号分析和处理的基本思想和方法-注意问题的提出、分析问题和解决问题的方法è实践性强实践性强: :-理论与实际相结合，听、练、做相结合-计算机实践： MATLAB是信号分析与处理的强大工具 5参考书目参考书目l l信号分析与处理，姜常珍，天津大学出版社，信号分析与处理，姜常珍，天津大学出版社，信号分析与处理，姜常珍，天津大学出版社，信号分析与处理，姜常珍，天津大学出版社，2000200020002000年年年年9 9 9 9月版月版月版月版 6l l信号与线性系统，阎鸿森等，西安交通大学出版社，信号与线性系统，阎鸿森等，西安交通大学出版社，信号与线性系统，阎鸿森等，西安交通大学出版社，信号与线性系统，阎鸿森等，西安交通大学出版社，1999.81999.81999.81999.8；；；；l l信号与系统，余成波等，清华出版社，信号与系统，余成波等，清华出版社，信号与系统，余成波等，清华出版社，信号与系统，余成波等，清华出版社，2004.9;2004.9;2004.9;2004.9;l l数字信号处理，张建华等，科学出版社，数字信号处理，张建华等，科学出版社，数字信号处理，张建华等，科学出版社，数字信号处理，张建华等，科学出版社，2002.1;2002.1;2002.1;2002.1;l l数字信号处理教程，程佩青编，清华大学出版社，数字信号处理教程，程佩青编，清华大学出版社，数字信号处理教程，程佩青编，清华大学出版社，数字信号处理教程，程佩青编，清华大学出版社，1995;1995;1995;1995;l l基于基于基于基于matlabmatlabmatlabmatlab的系统分析与设计的系统分析与设计的系统分析与设计的系统分析与设计- - - -信号处理信号处理信号处理信号处理, , , ,西安电子西安电子西安电子西安电子科技大学出版社科技大学出版社科技大学出版社科技大学出版社, , , ,楼顺天楼顺天楼顺天楼顺天,2001.5.,2001.5.,2001.5.,2001.5. 7课程地位课程地位l l《《《《信号处理概论信号处理概论信号处理概论信号处理概论》》》》是信息学科的一门主干技术基础是信息学科的一门主干技术基础是信息学科的一门主干技术基础是信息学科的一门主干技术基础课，应用领域极其广泛，几乎遍及电类及非电类的课，应用领域极其广泛，几乎遍及电类及非电类的课，应用领域极其广泛，几乎遍及电类及非电类的课，应用领域极其广泛，几乎遍及电类及非电类的各个工程技术领域：计算机、通信、控制、机械、各个工程技术领域：计算机、通信、控制、机械、各个工程技术领域：计算机、通信、控制、机械、各个工程技术领域：计算机、通信、控制、机械、建筑、交通、经济金融等。
建筑、交通、经济金融等建筑、交通、经济金融等建筑、交通、经济金融等l l全球科技革命以信息技术为核心，使各学科领域和全球科技革命以信息技术为核心，使各学科领域和全球科技革命以信息技术为核心，使各学科领域和全球科技革命以信息技术为核心，使各学科领域和现代工业发生了深刻的变化，其特点是：向自动化、现代工业发生了深刻的变化，其特点是：向自动化、现代工业发生了深刻的变化，其特点是：向自动化、现代工业发生了深刻的变化，其特点是：向自动化、数字化、智能化、集成化发展数字化、智能化、集成化发展数字化、智能化、集成化发展数字化、智能化、集成化发展l l专业课的共性：获取信号、对信号进行分析、如何专业课的共性：获取信号、对信号进行分析、如何专业课的共性：获取信号、对信号进行分析、如何专业课的共性：获取信号、对信号进行分析、如何对信号进行改造，提取信息对信号进行改造，提取信息对信号进行改造，提取信息对信号进行改造，提取信息l l本课程提供本课程提供本课程提供本课程提供基本分析原理和方法基本分析原理和方法基本分析原理和方法基本分析原理和方法，这是本课程生命，这是本课程生命，这是本课程生命，这是本课程生命力之所在。
力之所在力之所在力之所在 8先导课程先导课程l l高等数学高等数学l l线性代数线性代数l l复变函数复变函数l l概率统计概率统计l l电子电路电子电路 9后续课程后续课程l l计算机控制计算机控制l l数字图像处理数字图像处理l l通信原理通信原理l l等等等等 10课程安排课程安排学时：学时：学时：学时：56565656学时＝学时＝学时＝学时＝48484848课时课时课时课时+8+8+8+8时上机时上机时上机时上机l lCh1 Ch1 Ch1 Ch1 导论导论导论导论 (4(4(4(4学时学时学时学时) ) ) )l lCh2 Ch2 Ch2 Ch2 信号的时域分析信号的时域分析信号的时域分析信号的时域分析(10(10(10(10学时学时学时学时+2+2+2+2机时机时机时机时) ) ) )l lCh3 Ch3 Ch3 Ch3 信号的频域分析信号的频域分析信号的频域分析信号的频域分析(10(10(10(10学时学时学时学时+2+2+2+2机时机时机时机时) ) ) )l lCh4 Ch4 Ch4 Ch4 离散信号的变换域分析离散信号的变换域分析离散信号的变换域分析离散信号的变换域分析(15(15(15(15学时学时学时学时+2+2+2+2机时机时机时机时) ) ) )l lCh5 Ch5 Ch5 Ch5 随机信号随机信号随机信号随机信号(4(4(4(4学时学时学时学时) ) ) )l lCh6 Ch6 Ch6 Ch6 滤波器滤波器滤波器滤波器(5(5(5(5学时学时学时学时+2+2+2+2机时机时机时机时) ) ) ) 11学习要求学习要求l l听课听课+ +作业＋复习作业＋复习l l书面作业书面作业+ +上机作业上机作业l l平时平时10%+10%+上机上机20%+20%+期末考试期末考试70%70% 12第一章第一章 导导 论论l l本章教学目的和要求本章教学目的和要求è掌握信号与系统的概念及分析方法掌握信号与系统的概念及分析方法è掌握信号与系统的数学描述和表示掌握信号与系统的数学描述和表示è用数学表示来研究信号与系统分析中的概用数学表示来研究信号与系统分析中的概念和基本性质念和基本性质 13l l教学内容及学时安排教学内容及学时安排è1.11.1 信号及其分类信号及其分类è1.21.2 信号分析与信号处理信号分析与信号处理è1.31.3 信号与系统信号与系统 14l l教学重点教学重点è信号的概念与性质信号的概念与性质è系统的概念与性质系统的概念与性质导导导导 论论论论 15第一节第一节 信号及其分类信号及其分类l l一、信号的概念一、信号的概念è信号是反映（或载有）信息的各种物理量，信号是反映（或载有）信息的各种物理量，是系统直接进行加工、变换以实现通信的对是系统直接进行加工、变换以实现通信的对象。
象è信号是信息的表现形式，信息则是信号的具信号是信息的表现形式，信息则是信号的具体内容 16è自然和物理信号自然和物理信号– – 例如：语音、图像、地例如：语音、图像、地震信号、生理信号等震信号、生理信号等è人工产生的信号人工产生的信号– – 例如：雷达信号、通讯例如：雷达信号、通讯信号、医用超声信号等信号、医用超声信号等信号的概念信号的概念信号的概念信号的概念 17声音信号(空气压力-时间)x(t)信号的概念信号的概念信号的概念信号的概念 18灰度图像信号I(x,y)信号的概念信号的概念信号的概念信号的概念 19彩色图像信号r(x,y)g(x,y)b(x,y)信号的概念信号的概念信号的概念信号的概念 20-视频信号－－由一序列图像（帧）组成-灰度视频信号:I(x,y,t)-彩色视频信号: 信号的概念信号的概念信号的概念信号的概念 21图形信号信号的概念信号的概念信号的概念信号的概念 22-本课程主要研究一维信号-一般地、符合常规地采用时间t作为独立变量，函数用f(t)表示信号的概念信号的概念信号的概念信号的概念 23l l二、信号的描述二、信号的描述èè数学描述数学描述-使用具体的数学表达式，把信号描述为一个或若干个自变量的函数或序列的形式。
例：f(t)=sin(t) 24èè波形描述波形描述-按照函数随自变量的变化关系，把信号的波形画出来信号的描述信号的描述信号的描述信号的描述 25l l三、信号的分类三、信号的分类è( (一一) )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按变量取值分类连续时间信号离散时间信号 26-连续时间信号(连续信号)z若信号在定义域内，除有限个间断点外都有定义，称为连续时间信号,用f(t)表示f(t)0t0tf(t)f0f1f2信号的分类信号的分类信号的分类信号的分类 27-离散时间信号(离散信号)z若信号仅在某些时刻处有定义，称为离散时间信号,用f(n)表示，常称为序列z可以由连续信号取样(sampling)得来： x(t)|t=nT =x(nT) =x(n) T：取样间隔01234-1nf(nk)(3)(2)(4.5)(1.5)(6)(-1)信号的分类信号的分类信号的分类信号的分类 28 29è( (二二) )确定性信号和随机信号确定性信号和随机信号按信号性质分类确定性信号随机信号周期信号非周期信号信号的分类信号的分类信号的分类信号的分类 30-确定信号与随机信号z确定信号：当信号是一确定的时间函数时，给定某一时间值，就可以确定一相应的函数值。
例：正弦信号y = A coswt z随机信号：不是确定的时间函数，只知道该信号取某一数值的概率 例：耗电、信号信号的分类信号的分类信号的分类信号的分类 31z实际传输的信号几乎都是随机信号，如通讯系统中传输的信号都不带确定性，否则获得不了任何新信息，失去通讯的意义把较长时间内比较确定的随机信号，近似看成确定信号，简化分析z带有信息的信号往往具有不可预知的不确定性，是一种随机信号z除实验室发生的有规律的信号外，通常的信号都是随机的，因为确定信号对受信者不可能载有信息z确定信号是信号分析与处理的基础，随机信号更符合实际，该课程主要介绍前者 信号的分类信号的分类信号的分类信号的分类 32è( (三三) )周期信号和非周期信号周期信号和非周期信号-周期信号与非周期信号z周期信号：每隔一个固定的时间间隔重复变化周而复始重复出现）信号的分类信号的分类信号的分类信号的分类 33»连续周期信号： x(t)=x(t+nT) 描述连续周期信号的参数有: T：周期 (s) f：频率即单位时间内信号的周期数 f=1/T (Hz) w：角频率即2p 单位时间内信号的周期数»离散周期信号： x(n)=x(n+mN) 描述离散周期信号的参数有: N：基本周期 Ω：角频率， w = 2p/N 信号的分类信号的分类信号的分类信号的分类 34z非周期信号:不具有重复性的信号。
»非周期信号可以视为是周期无穷大的周期信号»实际生活中一般都是非周期信号 例如：耗电量信号的分类信号的分类信号的分类信号的分类 35è( (四四) )模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号-က模拟信号：定义域和值域都是连续的信号z模拟信号肯定是连续信号,反之未必-က数字信号：定义域和值域都是离散的信号z数字信号肯定是离散信号,反之未必ADC：analog to digit conversionDAC： digit to analog conversion 36è( (五五) )常参信号与变参信号常参信号与变参信号-常参信号: 信号的参量是时不变的信号 例：Asinwt-变参信号: 信号的参量随时间变换 例：A(t)sinwt 37è( (六六) )奇异信号奇异信号-信号本身、其导数或其积分有不连续点的函数-例：冲激信号、阶跃信号 38第二节第二节 信号分析与信号处理信号分析与信号处理信号理论信号分析信号处理 39l l一、信号分析一、信号分析è1.1.目的：目的：-研究信号自身特性，以及信号发生某些变化时，特性的变化 将一复杂信号分解为若干简单信号分量叠加，并以这些分量的组成情况去考察信号的特性。
分解分解基本信号特性基本信号特性复杂信号特性复杂信号特性基本信号基本信号 复杂信号复杂信号 40è2.2.信号分析的基本方法信号分析的基本方法-时域分析z研究信号随时间的变化特征，函数分析或波形分析-频域分析z研究信号随频率的变化情况，分析信号频率成份、带宽、传输特性z属变换域分析一种，涉及傅立叶变换和Z变换 41l l二、信号处理二、信号处理è1.1.概念概念-对信号进行某种加工变换或运算（滤波、相关、卷积、变换、增强、压缩、估计、识别等），获取信息或变换为人们希望的另一种信号形式随着计算机的应用发展，主要是数字信号处理 42è2.2.信号处理的目的信号处理的目的-去伪存真:去除信号中冗余的和次要的成分特征抽取:把信号变成易于进行分析和识别的形式编码解码:把信号变成易于传输、交换与存储的形式（编码）， 或从编码信号中恢复出原始信号（解码）è3.3.与信号分析的关系与信号分析的关系-信号分析是信号处理的基础信号分析是信号处理的基础 43è４４. .信号处理的应用举例信号处理的应用举例幂映射幂映射图像增强图像增强 44维纳滤波维纳滤波图像复原图像复原 45图像融合图像融合 46 47è５５. .信号处理的基本步骤：信号处理的基本步骤：采样器采样器A/DA/D变换器变换器数字信号处数字信号处理器理器ＤＳＰＤＳＰD/AD/A变换器变换器xa(t)x (n)y (n)ya(t)自变量自变量( (时间时间) )和和 幅值同时离散化幅值同时离散化变换域分析、数字变换域分析、数字 滤波、识别、合成滤波、识别、合成数字信号还原数字信号还原 为模拟信号为模拟信号 48è6.6.数字信号处理的基本器件数字信号处理的基本器件-加法器-单位延时器-标量乘法器è7.7.数字信号处理的常用设备数字信号处理的常用设备-通用计算机、单片机、数字信号处理器(DSP) 49-DSP的应用实例z卫星图像分析 文字识别z语音合成 语音识别z远程医疗监护 数字测绘z条形码阅读 数字摄像机z加密 磁共振成像扫描z高清晰度电视 地震波分析z数字音频 音乐合成 50第三节 信号与系统第三节 信号与系统l l一、系统的概念和模型一、系统的概念和模型è概念：若干相互作用、相互关联事物组合而成概念：若干相互作用、相互关联事物组合而成 具有特定功能的整体。
具有特定功能的整体激励：系统的输入 x(t) y(t)-响应：系统的输出调制器长途通信系统发送放大器方向滤波器接受放大器方向滤波器均衡器调制器 51è系统模型系统模型：系统的特定功能或特性的一种：系统的特定功能或特性的一种数学抽象和数学描述数学抽象和数学描述 具体来说，就是用某种数学表达式或用具具体来说，就是用某种数学表达式或用具有理想特性的符号组合成图形，描述系统有理想特性的符号组合成图形，描述系统的特定功能或特性的特定功能或特性 52 。