信号分析与处理：1-1 信号(signal)的描述与分类

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1、1信号分析与处理多媒体教学课件多媒体教学课件前言前言n内容多，有深度、新度和广度；内容多，有深度、新度和广度；n理论性比较强，用到的工程数学知识特别多，理论性比较强，用到的工程数学知识特别多，用数学工具分析物理概念，与用数学工具分析物理概念，与电路分析基础电路分析基础比较，比较，更抽象，更一般化更抽象，更一般化； 常用数学工具：常用数学工具： 微分、积分微分、积分 线性代数线性代数 微分方程微分方程 傅里叶级数傅里叶级数n习题类型多，内涵深，外延大，难度高，计算习题类型多，内涵深，外延大，难度高，计算量大，计算的技巧性很强，学好这门课程的难量大，计算的技巧性很强，学好这门课程的难度较大。度较大

2、。课程特点课程特点课程位置课程位置 先修课先修课 后续课程后续课程高等数学高等数学 通信原理通信原理线性代数线性代数 数字信号处理数字信号处理复变函数复变函数 自动控制原理自动控制原理电路分析基础电路分析基础 本课程为通信、电子类学生重要的专业基础课。本课程为通信、电子类学生重要的专业基础课。学习方法学习方法n 注重物理概念与数学分析之间的对照，不注重物理概念与数学分析之间的对照，不 要盲目计算；要盲目计算；n 注意分析结果的物理解释，各种参量变动注意分析结果的物理解释，各种参量变动 时的物理意义及其产生的后果；时的物理意义及其产生的后果；n 同一问题可有多种解法，应寻找最简单、同一问题可有多

3、种解法，应寻找最简单、 最合理的解法，比较各方法之优劣。最合理的解法，比较各方法之优劣。n工业监控、生产调度、质量分析、资源工业监控、生产调度、质量分析、资源遥感、地震预报、人工智能、高效农业、遥感、地震预报、人工智能、高效农业、交通监控；交通监控；n宇宙探测、军事侦察、武器技术、安全宇宙探测、军事侦察、武器技术、安全报警、指挥系统；报警、指挥系统；n经济预测、财务统计、市场信息经济预测、财务统计、市场信息 、股市、股市分析；分析；n电子出版、新闻传媒、影视制作；电子出版、新闻传媒、影视制作；n远程教育、远程医疗、远程会议；远程教育、远程医疗、远程会议；n虚拟仪器、虚拟手术。虚拟仪器、虚拟手术

4、。应用十分广泛应用十分广泛参考书目录参考书目录前言前言n郑君里等郑君里等. 信号与系统信号与系统(第二版第二版) . 北京北京 . 高等教高等教育出版社育出版社, 2000n管致中等管致中等 . 信号与线性系统信号与线性系统 (第四版第四版) . 北京北京 . 高等教育出版高等教育出版 社社, 2004nsignals and systemsAlan V. Oppenheim美美国麻省理工学国麻省理工学 ALAN V.OPPENHEIM. 信号与系统信号与系统 (第二版第二版) .北京北京 . 电子工业出版电子工业出版 社社, 2002n信号与系统常见题型解析及模拟题信号与系统常见题型解析及模

5、拟题范世范世贵主编，西北工业大学出版社贵主编，西北工业大学出版社参考书目录参考书目录n信号与系统例题分析及习题信号与系统例题分析及习题乐正友、杨乐正友、杨为理、应启珩著，清华大学出版社为理、应启珩著，清华大学出版社n掌握和精通掌握和精通MATLAB张志涌、刘瑞桢、张志涌、刘瑞桢、杨祖樱著，北京航空航天大学出版社杨祖樱著，北京航空航天大学出版社信号与系统要解决的问题n什么是信号？什么是信号？信号是消息的表现形式，消息则是信号信号是消息的表现形式，消息则是信号的具体内容的具体内容。n什么是系统？什么是系统？ 系统是由若干相互作用和相互依赖的事系统是由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功

6、能的整体。物组合而成的具有特定功能的整体。n信号作用于系统产生什么响应？信号作用于系统产生什么响应？1.1信号的描述与分类信号的描述与分类1.2系统的描述与分类系统的描述与分类1.3信号分析与系统分析方法概述信号分析与系统分析方法概述第第1章章 信号与系统的基本概念信号与系统的基本概念信号与系统分析信号与系统分析1.1 1.1 信号信号( (signal) )的描述与分类的描述与分类n1.1.1 信号的描述信号的描述n1.1.2 信号的分类信号的分类1.1信号的描述与分类1.1信号的描述与分类1、消息（、消息（message）：）： 来自外界的各种报道统称为消息来自外界的各种报道统称为消息2、

7、信息（、信息（information）：）：消息中有意义的内容称为信息消息中有意义的内容称为信息3、信号（、信号（signal）：）： 信号是带有信息的某种物理量，是信信号是带有信息的某种物理量，是信息的表现形式，信息则是信号的具体内容息的表现形式，信息则是信号的具体内容 为了有效的传播和利用信息常常需要将信息转换成便于传输和为了有效的传播和利用信息常常需要将信息转换成便于传输和处理的信号。处理的信号。l光信号光信号 ： 古代烽火台、十字路口的红绿灯l声音信号声音信号：上下课的铃声、电话、广播、音乐l文字信号文字信号：书刊、杂志、广告、信件l图像信号图像信号：电视、绘画、照片、录像l电信号：电

8、信号： 随时间变化的电压、电流、电荷、磁通及电磁波 电信号最容易产生、传输、控制和处理电信号最容易产生、传输、控制和处理 本课程只研究电信号本课程只研究电信号 声信号声信号 光信号光信号 电信号电信号 文字、图象信号文字、图象信号典型信号举例0001 1010 0111 1100 0110 01010101 0111 0110 0101 0001 1000电力系统中信息技术的应用举例电力系统中信息技术的应用举例（1）谐波分析）谐波分析电弧炉电弧炉大型大型f50250幅度幅度电网电网频谱分析频谱分析 (2)故障诊断故障诊断电动机鼠笼断条电动机鼠笼断条鼠笼断裂鼠笼断裂电机转子电机转子的鼠笼的鼠笼4

9、5 49 50 f滑滑差电流差电流电动机电动机频谱分析频谱分析泄露泄露（3 3）长电力传输线的故障检测）长电力传输线的故障检测脉冲脉冲发生发生器器LT1T2互相关互相关漏电漏电生物医学信号处理应用举例滤波以前干扰严重滤波以前干扰严重滤波以后干扰祛除滤波以后干扰祛除生物医学信号处理应用举例n左边是一段听觉响应的时间信号，没有左边是一段听觉响应的时间信号，没有表现出可以识别的特征表现出可以识别的特征n右边是经过小波分析后得到的时间右边是经过小波分析后得到的时间频率关系平面，得到明显可识别的特征。频率关系平面，得到明显可识别的特征。“信号信号”与与“函数函数”两词相互通用两词相互通用。数学描述是为了

10、把不同。数学描述是为了把不同物理量的共同特征抽象出来便于分析、运算和变换。物理量的共同特征抽象出来便于分析、运算和变换。1.1.1 信号的描述信号的描述1.1.2 信号的描述2、数学描述：、数学描述：信号是一个或多个自变量的函数，一般都具信号是一个或多个自变量的函数，一般都具 有各自的物理属性，其自变量一般为：时间、有各自的物理属性，其自变量一般为：时间、 位移、周期、频率、幅度、相位。位移、周期、频率、幅度、相位。 本书中信号的自变量为时间和频率。如：本书中信号的自变量为时间和频率。如：1、物理描述：、物理描述：信号是信息寄寓变化的物理体现，它一般是信号是信息寄寓变化的物理体现，它一般是 随

11、时间或空间变化的物理量。随时间或空间变化的物理量。 如：电流、压如：电流、压 力、温度、速度等。力、温度、速度等。3、图形描述：、图形描述：随时间变化的波形和随频率变化的频谱。随时间变化的波形和随频率变化的频谱。1.1信号的描述与分类物理描述物理描述：简谐振荡 正弦交流电压数学描述数学描述：图形描述图形描述：波形 频谱振幅周期初相位例：例：正弦信号正弦信号1.1.2 信号的描述1.1信号的描述与分类对对 阻阻 尼尼 振振 荡荡 的的 数数 学学 描描 述述1.1信号的描述与分类一段鸟鸣的声音的时域波形一段鸟鸣的声音的时域波形鸟鸣在不同频率时的幅度分布鸟鸣在不同频率时的幅度分布频谱频谱鸟鸣声的时

12、鸟鸣声的时频谱阵图频谱阵图图象携带信息特征图象携带信息特征轮廓轮廓波波 形形 的的 三三 维维 描描 述述 等等 高高 面面 的的 表表 示示横切面的表示横切面的表示1.1.2 信号的分类信号的分类1、确定性信号与随机信号、确定性信号与随机信号2、连续信号与离散信号、连续信号与离散信号3、周期信号与非周期信号、周期信号与非周期信号4、时限信号、时限信号5、实信号与复信号、实信号与复信号6、能量信号与功率信号、能量信号与功率信号7、时域信号与频域信号、时域信号与频域信号1.1.3 信号的分类1.1信号的描述与分类1 1、确定信号与随机信号、确定信号与随机信号（根据信号取值是否确定来分类）（根据信

13、号取值是否确定来分类）确定性信号：信号可以被表示为一确定的时间函数。即给确定性信号：信号可以被表示为一确定的时间函数。即给 定一个时刻可以确定一相应的函数值。定一个时刻可以确定一相应的函数值。例如：例如： 研究确定信号是研究随机信号的基础研究确定信号是研究随机信号的基础 本课程只研究确定性信号本课程只研究确定性信号随机信号：随机信号： 信号不能用确定的时间函数描述。给定一个信号不能用确定的时间函数描述。给定一个 时刻，只知道信号的某一数值的概率。时刻，只知道信号的某一数值的概率。 例如：雷电干扰、海浪起伏、电子器件的热噪声等例如：雷电干扰、海浪起伏、电子器件的热噪声等1.1.3 信号的分类1.

14、1信号的描述与分类2 2、连续时间信号与离散时间信号、连续时间信号与离散时间信号（根据信号自变量取值是否连续来分类）连续时间信号：连续时间信号： 信号存在的时间范围内任意时刻都有定义（即都可以给出确定的函数值），用 t 表示连续取值的时间自变量。离散时间信号：离散时间信号： 信号在时间上取值是离散的，其他时间没定义。若用等时间间隔取值，用 n 表示离散取值的时间自变量。 n 叫序号，只取整数。值域连续值域连续（模拟信号）（模拟信号）值域不值域不连续连续1.1.3 信号的分类x(n)1.1信号的描述与分类n模拟信号的两种处理方式模拟信号的两种处理方式数字系统处理数字系统处理模拟系统处理模拟系统处

15、理1.1.3 信号的分类1.1信号的描述与分类模拟信号模拟信号 时间和函数值均连续时间和函数值均连续(因为计算机精度有限因为计算机精度有限)量量化化(因为计算机存储空间有限因为计算机存储空间有限)抽抽样样把模拟信号变成数字信号是为了把模拟信号变成数字信号是为了利用计算机进行数字信号处理利用计算机进行数字信号处理数字信号数字信号 时间离散，函数值离散时间离散，函数值离散抽样信号抽样信号 时间离散，函数值连续时间离散，函数值连续1.1.3 信号的分类1.1信号的描述与分类通常将对应某序号通常将对应某序号n的序列值称为第的序列值称为第n个样点的个样点的“样值样值”。 离散信号的表示形式离散信号的表示

16、形式2、闭合数学表达式、闭合数学表达式3、逐个列出的序列、逐个列出的序列 1、图形表示的序列、图形表示的序列 固定，固定，n 取整数取整数1.1.3 信号的分类1.1信号的描述与分类3 3、周期信号与非周期信号、周期信号与非周期信号非周期信号非周期信号：信号在时间上不具有周而复始的特性，或者说信号的周期趋于无穷大。 如：如：（根据信号在某一区间内是否重复出现来分类）（根据信号在某一区间内是否重复出现来分类） 如：如：1.1.3 信号的分类周期信号：周期信号： 按照一定的时间间隔按照一定的时间间隔 T 周而复始且无始无终的周而复始且无始无终的信号。信号。(n)、n(n)1.1信号的描述与分类4

17、4、时限信号、时限信号因果信号因果信号反因果信号反因果信号（根据信号在计时起点之前取值是否为零来分类）（根据信号在计时起点之前取值是否为零来分类）有始信号有始信号有终信号有终信号右边信号右边信号左边信号左边信号1.1信号的描述与分类时限信号和非时限信号时限信号和非时限信号 时限信号时限信号 非时限信号非时限信号 信号分类信号分类x(n)x(n)5 5、实信号与复信号、实信号与复信号1.1.3 信号的分类1.1信号的描述与分类实信号：实信号：信号的取值为实数，则称此类信号为实值信号。 物理可实现的信号都是实信号，例如：无线电信号、电视信号和雷达信号。复信号复信号:信号的取值为复数，则称此类信号为

18、复值信号。 实际中虽然不能产生复信号，但是用复信号来代表某些物理量，往往更便于理论分析。这一点，通过后续章节傅里叶频谱分析的学习，将使我们具有更深刻的认识。 6 6、能量信号与功率信号、能量信号与功率信号任何信号通过系统时都伴随着一定能量或功率的传输，任何信号通过系统时都伴随着一定能量或功率的传输， 表明表明信号具有能量或功率特性。信号具有能量或功率特性。信号的能量信号的能量周期信号的功率周期信号的功率1.1.3 信号的分类当信号能量趋于于无穷大时，存在其当信号能量趋于于无穷大时，存在其平均功率平均功率，简称功率，即，简称功率，即上式可理解为信号上式可理解为信号x(t)在在1电阻上所消耗的平均

19、功率。电阻上所消耗的平均功率。该平均功率也就是该平均功率也就是x(t)的均方值，记作的均方值，记作 。1.1信号的描述与分类能量信号与功率信号能量信号与功率信号（根据信号的能量或功率是否有限来分类）（根据信号的能量或功率是否有限来分类）能量信号能量信号：信号的能量有限，即：信号的能量有限，即具有具有有限幅值有限幅值的的时限信号时限信号都是能量信号。都是能量信号。具有有限值的周期信号都是功率信号。具有有限值的周期信号都是功率信号。功率信号功率信号：信号的功率有限，即：信号的功率有限，即1.1.3 信号的分类当信号的功率为无限大时，则它既不是能量信号，当信号的功率为无限大时，则它既不是能量信号，也

20、不是功率信号。也不是功率信号。1.1信号的描述与分类7 7、时域信号与频域信号、时域信号与频域信号时域信号：时域信号：描述信号幅值随时间的变化规律，可描述信号幅值随时间的变化规律，可 直接检测或记录到的信号。直接检测或记录到的信号。 其特点是不能揭示信号的频率结构特征。其特点是不能揭示信号的频率结构特征。频域信号：频域信号：以频率作为独立变量对信号进行频以频率作为独立变量对信号进行频 谱分析。谱分析。 其特点是可以反映信号的各频率成分的幅其特点是可以反映信号的各频率成分的幅 值和相位特征。值和相位特征。1.1.3 信号的分类1.1信号的描述与分类第一章第一章 1.1 信号信号信号分类信号分类（

21、a）连续、非周期、因果、能量信号）连续、非周期、因果、能量信号（b）离散、非周期、因果、能量信号）离散、非周期、因果、能量信号（c）连续、非周期、因果、能量信号）连续、非周期、因果、能量信号（d）连续、周期、非因果、功率信号）连续、周期、非因果、功率信号判判断断信信号号类类别别小结信号的概念信号的概念 小结信号是信息的表现形式信号是信息的表现形式电信号最容易产生、传输、存储、处理电信号最容易产生、传输、存储、处理我们研究的是将各种信息经转换而成的电信号我们研究的是将各种信息经转换而成的电信号物理描述：应注意信号的物理解释以帮助理解物理描述：应注意信号的物理解释以帮助理解数学描述：化成数学语言的

22、信号数学描述：化成数学语言的信号 （本书的对象，简捷）（本书的对象，简捷）图形描述：直观、形象，与数学描述相对应图形描述：直观、形象，与数学描述相对应信号的描述信号的描述1.1信号的描述与分类n信号的信号的分类分类确定性信号和随机信号：根据信号取值是否确定。确定性信号和随机信号：根据信号取值是否确定。连续信号与离散信号：连续信号与离散信号： 根据信号的自变量取值根据信号的自变量取值 是否连续。是否连续。因果信号与非因果信号：根据信号在计时起点之因果信号与非因果信号：根据信号在计时起点之 前取值是否为零前取值是否为零。周期信号与非周期信号：根据信号在某一区间内周期信号与非周期信号：根据信号在某一区间内 是否重复出现。是否重复出现。能量信号和功率信号：能量信号和功率信号： 根据信号的能量或功率根据信号的能量或功率 是否有限。是否有限。 小结1.1信号的描述与分类