大连理工大学信号01-绪论.ppt

信号处理与数据分析信号处理与数据分析Signal Processing and Data AnalysisSignal Processing and Data Analysis大连理工大学硕士研究生校管课程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电子信息与电气工程学部邱天爽邱天爽2013年年9月月2024/5/25周六周六1.第第0章章绪绪论论大连理工大学硕士研究生校管课程大连理工大学硕士研究生校管课程信号处理与数据分析信号处理与数据分析电子信息与电气工程学部电子信息与电气工程学部邱天爽邱天爽2013年年9月月2024/5/25周六周六2.内容概要内容概要0.1 0.1 信号处理的意义与用途信号处理的意义与用途0.2 0.2 信息与信号的概念信息与信号的概念0.3 0.3 系统的概念系统的概念0.4 0.4 信号分析与处理的内容信号分析与处理的内容0.5 0.5 信号分析处理的基本方法信号分析处理的基本方法0.6 0.6 本课程的主要内容本课程的主要内容2024/5/25周六周六3.0.1信号处理的意义与用途信号处理的意义与用途2024/5/25周六周六4.信号处理的概念信号处理的概念信号处理：信号处理：使用系统对含有信息的信号进行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（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。取信息、便于利用的目的。信号处理的信号处理的主要内容主要内容包括滤波、变换、检测、谱分包括滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等一系列的信号加工。析、估计、压缩、识别等一系列的信号加工。2024/5/25周六周六5.信号处理技术的发展概况信号处理技术的发展概况20世纪世纪60年代前，年代前，信号处理主要依靠模拟仪器实现。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，字信号处理算法上的突破，自自20世纪世纪60年代以来年代以来，信号处理主要由数字信号处理来完成。信号处理主要由数字信号处理来完成。1965年年，库利和图基提出了快速傅里叶变换算法，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度提高了几个数量级。使计算离散傅里叶变换的速度提高了几个数量级。是数字信号处理逐步走向实用。是数字信号处理逐步走向实用。20世纪世纪70年代以后年代以后，信号处理新算法不断出现。美，信号处理新算法不断出现。美国国TI公司于公司于1980年代推出了年代推出了DSP芯片芯片，进一步推动，进一步推动了信号处理技术的发展。了信号处理技术的发展。2024/5/25周六周六6.美国美国TITI公司推出的公司推出的DSPDSP芯片：芯片：2024/5/25周六周六7.DSPDSP开发系统：开发系统：2024/5/25周六周六8.信号处理技术的发展概况（续）信号处理技术的发展概况（续）20世纪世纪90年代以来，出现了计算机虚拟仪器，以美年代以来，出现了计算机虚拟仪器，以美国国NI公司的公司的Labview为代表，将传统的仪器与计算为代表，将传统的仪器与计算机结合起来。机结合起来。虚拟仪器套件虚拟仪器套件2024/5/25周六周六9.信号处理技术的发展概况（续信号处理技术的发展概况（续2 2）20世纪世纪80年代以来至今，信号处理新理论，信算法年代以来至今，信号处理新理论，信算法不断涌现：不断涌现：非平稳信号处理非平稳信号处理：时频分析、小波变换、希尔伯：时频分析、小波变换、希尔伯特特黄变换等；黄变换等；非高斯信号处理非高斯信号处理：高阶累积量与高阶谱、分数低：高阶累积量与高阶谱、分数低阶统计量、相关熵等；阶统计量、相关熵等；非线性信号处理非线性信号处理：分形、混沌、人工神经网络；：分形、混沌、人工神经网络；信号分离方法信号分离方法：独立分量分析：独立分量分析2024/5/25周六周六10.信号处理技术的主要内容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；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，包括信号的采集，包括A/D、D/A技术，信号采样理论等；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；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；自适应信号处理；估计理论，包括谱估计与相关函数估计；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；信号的建模与信号的重建；信号处理的实现与应用等信号处理的实现与应用等2024/5/25周六周六11.信号处理技术的主要应用信号处理技术的主要应用汽车技术：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；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；语音命令全球定位；导航；振动分析；语音命令消费电子：消费电子：数字音响数字音响/电视；教育玩具；音乐合成；传呼机；动力工具；电视；教育玩具；音乐合成；传呼机；动力工具；雷达检测器；固体应答机雷达检测器；固体应答机控制：控制：磁盘磁盘/光盘驱动；发动机控制；激光打印机控制；电动机控制；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；伺服控制机器人控制；伺服控制通用设备：通用设备：自适应滤波；卷积；相关；师资滤波；自适应滤波；卷积；相关；师资滤波；FFT，波形产生，波形产生2024/5/25周六周六12.信号处理技术的主要应用（续）信号处理技术的主要应用（续）图形图像：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；机器视觉式识别；机器视觉工业：工业：数字控制；生产线监控；机器人；安全入口监控数字控制；生产线监控；机器人；安全入口监控仪器仪表：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；过渡过程分析分析；过渡过程分析医疗：医疗：诊断设备；胎儿监测；助听；患者监测；超声设备；诊断设备；胎儿监测；助听；患者监测；超声设备；CT；MRI2024/5/25周六周六13.信号处理技术的主要应用（续信号处理技术的主要应用（续2 2）军事应用：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；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；声纳信号处理保密通信；声纳信号处理通信技术：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（真；个人通信系统；个人数字处理（PAD）；扩频技术；）；扩频技术；xDSL；视频会议；分组交换；视频会议；分组交换视频视频/语音语音说话人识别；语音增强；语音识别；语音合成；语音邮件说话人识别；语音增强；语音识别；语音合成；语音邮件2024/5/25周六周六14.信号处理技术涉及众多学科；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；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它将为经济建设和科学技术发展做出自己的贡献；的贡献；让我们好好学习，努力掌握，广泛应用！让我们好好学习，努力掌握，广泛应用！2024/5/25周六周六15.0.2信息与信号的概念信息与信号的概念2024/5/25周六周六16.信息（信息（InformationInformation）的概念）的概念信息一词在我国历史悠久，南唐时期诗人李中有李中有诗云：“梦断美人沉信息，目穿长路依楼台梦断美人沉信息，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，未发现未发现“信息信息”词目词目。但有文字称“信息论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”。2024/5/25周六周六17.信息的定义信息的定义定义定义1：信息是关于事物信息是关于事物运动状态运动状态或或存在方式存在方式不确定性的不确定性的描述。描述。定义定义2：信息是指对消息的接受者来说预先不知道的报道。信息是指对消息的接受者来说预先不知道的报道。举例举例（信息与消息的区别）（信息与消息的区别）例例1 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：消息是正确的）例例2 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。2024/5/25周六周六18.信息与消息信息与消息消息的定义消息的定义用文字、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消息。没有说明接受者的情况。从通信的角度来说明从通信的角度来说明通信过程是进行消息消息的传输；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，就获得了信息信息信息是可以计量的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2024/5/25周六周六19.信息量计算举例信息量计算举例若 ，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)=9.97bit2024/5/25周六周六20.信号（信号（SignalSignal）的概念）的概念定义定义1：信号信号是信息的携带者，是信息的载体。定义定义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信号（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。2024/5/25周六周六21.信号的分类信号的分类连续时间信号连续时间信号：自变量是连续的。自变量是连续的。离散时间信号离散时间信号：自变量是离散的。自变量是离散的。【例例1.1】（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，li1_1.m）2024/5/25周六周六22.周期性信号：周期性信号：非周期性信号：不满足上述关系。非周期性信号：不满足上述关系。【例例1.2】（周期与非周期性信号，（周期与非周期性信号，li1_2.m）2024/5/25周六周六23.奇对称信号：奇对称信号：偶对称信号：偶对称信号：【例例1.3】（奇对称信号与偶对称信号，（奇对称信号与偶对称信号，li1_3.m）2024/5/25周六周六24.一维信号：一维信号：多维信号：多维信号：【例例1.4】（二维信号即图像信号举例）（二维信号即图像信号举例）2024/5/25周六周六25.确定性信号：可以用数学解析式表示确定性信号：可以用数学解析式表示随机信号：不能用数学解析式表示随机信号：不能用数学解析式表示【例例1.5】（确定性与随机信号举例，（确定性与随机信号举例，li1_5）2024/5/25周六周六26.0.3系统的概念系统的概念2024/5/25周六周六27.系统（系统（SystemSystem）的概念）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的一个集合体或装置(部件部件)。系统泛指由一群有关联的个体组成，根据预先编排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好的规则工作，能完成个别元件不能单独完成的工作的群体。系统分为自然系统与人为系统两大类。作的群体。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。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：系统的两个要素：系统中至少包含两个不同元素；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系统中的元素按一定方式相互联系2024/5/25周六周六28.关于系统的进一步说明关于系统的进一步说明系统的存在性：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：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：例：生命系统，天体系统等人工系统：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，以实现或完成系统内各个体不能单独实现的功能、性能与结果。例：例：计算机系统，教育系统复合系统：复合系统：是自然系统和人工系统的组合。例：例：人机系统，导航系统2024/5/25周六周六29.一个复合系统的例子：脑机接口（一个复合系统的例子：脑机接口（BCIBCI）2024/5/25周六周六30.典型的通信系统典型的通信系统单工（单工（SimplexTransmission）：）：消息只能单方向传输消息只能单方向传输半双工（半双工（Half-duplexTransmission）：）：双方均能发消息，但是不双方均能发消息，但是不能同时收或同时发能同时收或同时发全双工（全双工（Full-duplexTransmission）：）：双方均可同时收发消息双方均可同时收发消息2024/5/25周六周六31.通信系统几个要素通信系统几个要素Source（信源）（信源）: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）（信宿）:信息的接收者，将信号转变为消息。Transmitter（发送设备）（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）（信道）:信号传输的通道。Receiver（接收设备）（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）（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2024/5/25周六周六32.调制的作用调制的作用有效地辐射电磁波，增加辐射距离。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。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语音信号的波长大约为100km，工程不易实现。，工程不易实现。进行频率管理。进行频率管理。提高系统的抗干扰和保密能力。提高系统的抗干扰和保密能力。主要的调制方式主要的调制方式模拟调制模拟调制AM，FM，PM数字调制数字调制ASK，FSK，PSK，2024/5/25周六周六33.典型的数据通信系统典型的数据通信系统2024/5/25周六周六34.Simplified Data Communications ModelSimplified Data Communications Model2024/5/25周六周六35.0.4信号分析与处理的信号分析与处理的内容内容2024/5/25周六周六36.信号变换信号变换一般来说，所获得的原始信号都是连续时间信号一般来说，所获得的原始信号都是连续时间信号，不一定适合分析与处理的要求，需要变换。，不一定适合分析与处理的要求，需要变换。可能经过可能经过A/D转换而变换到离散时间域，变为转换而变换到离散时间域，变为，便于计算机处理。，便于计算机处理。在很多情况下，还需要将信号变换到频率域或其他域，在很多情况下，还需要将信号变换到频率域或其他域，以便于进一步的分析处理。以便于进一步的分析处理。举例：举例：2024/5/25周六周六37.信号变换举例信号变换举例1（连续（连续离散）离散）2024/5/25周六周六38.信号变换举例信号变换举例2（时域（时域频域）频域）2024/5/25周六周六39.信号特征分析信号特征分析信号的最大值、最小值、变化率和幅值分布等是最常信号的最大值、最小值、变化率和幅值分布等是最常见的信号特征；见的信号特征；随机信号的均值、方差等随机信号的均值、方差等其他信号特征其他信号特征举例：举例：产生高斯分布白噪声，产生高斯分布白噪声，均值为均值为0，方差为，方差为1；估计：估计：均值均值=0.0273；方差方差=0.99072024/5/25周六周六40.信号频谱分析信号频谱分析2024/5/25周六周六41.信号滤波信号滤波目的是去除信号中的干扰和噪声目的是去除信号中的干扰和噪声2024/5/25周六周六42.信号滤波信号滤波去除信号中的干扰去除信号中的干扰2024/5/25周六周六43.信号滤波信号滤波提取噪声中的信号提取噪声中的信号2024/5/25周六周六44.0.5信号分析处理的基信号分析处理的基本方法本方法2024/5/25周六周六45.信号的时域分析处理信号的时域分析处理信号波形分析处理；信号波形分析处理；卷积求系统输出；卷积求系统输出；参数模型方法；参数模型方法；滤波器时域解法；滤波器时域解法；信号的相关分析；信号的相关分析；2024/5/25周六周六46.信号的变换域分析处理信号的变换域分析处理信号的频谱或功率谱分析处理；信号的频谱或功率谱分析处理；卷积的快速计算；卷积的快速计算；时频分析；时频分析；小波分析；小波分析；2024/5/25周六周六47.信号分析处理的实现方法信号分析处理的实现方法计算机软件；计算机软件；专用电路；专用电路；单片机，单片机，DSP芯片编程；芯片编程；信号处理的核心是算法问题；信号处理的核心是算法问题；实现技术也是重要的环节实现技术也是重要的环节2024/5/25周六周六48.0.6本课程的主要内容本课程的主要内容2024/5/25周六周六49.本课程的本课程的5个主要部分个主要部分PartI:信号与系统的基本原理；信号与系统的基本原理；PartII:信号的误差分析与预处理；信号的误差分析与预处理；PartIII:数字信号处理；数字信号处理；PartIV:统计信号处理；统计信号处理；PartV:现代信号处理现代信号处理2024/5/25周六周六50.PartI:信号与系统的基本原理信号与系统的基本原理第第1章章信号与线性时不变系统信号与线性时不变系统第第2章章傅里叶级数与傅里叶变换傅里叶级数与傅里叶变换第第3章章信号与系统的频域分析信号与系统的频域分析第第4章章信号的采样与插值拟合信号的采样与插值拟合第第5章章拉普拉斯变换与拉普拉斯变换与Z变换变换2024/5/25周六周六51.PartII:信号的误差分析与预处理信号的误差分析与预处理第第6章章测量不确定度的表示与估计测量不确定度的表示与估计第第7章章粗大误差与野点的判断与处理粗大误差与野点的判断与处理2024/5/25周六周六52.PartIII:数字信号处理数字信号处理第第8章章离散傅里叶变换与快速傅里叶变换离散傅里叶变换与快速傅里叶变换第第9章章数字滤波器与数字滤波器设计数字滤波器与数字滤波器设计第第10章章数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应2024/5/25周六周六53.PartIV:统计信号处理统计信号处理第第11章章随机信号分析基础随机信号分析基础第第12章章随机信号的相关与功率谱估计随机信号的相关与功率谱估计第第13章章信号的统计滤波技术信号的统计滤波技术第第14章章自适应信号处理自适应信号处理第第15章章高阶统计量与分数低阶统计量信号处理高阶统计量与分数低阶统计量信号处理2024/5/25周六周六54.PartV:现代信号处理现代信号处理第第16章章时频分析方法时频分析方法第第17章章小波分析小波分析第第18章章希尔伯特希尔伯特-黄变换黄变换说明：以上章节可能会有少量调整说明：以上章节可能会有少量调整2024/5/25周六周六55.本课程的先修课程及涉及的数学基础本课程的先修课程及涉及的数学基础大学物理大学物理微积分微积分线性代数与矩阵；线性代数与矩阵；概率论与数理统计；概率论与数理统计；积分变换；积分变换；复变函数；复变函数；随机过程随机过程2024/5/25周六周六56.本课程的特点和本课程的特点和4大环节大环节本课程的特点：本课程的特点：理论性理论性很强，很强，实践性实践性也很强；也很强；内容内容非常非常广泛非常非常广泛；有一定的有一定的难度和深度难度和深度，又有较为直接的，又有较为直接的实用价值实用价值。本课程的本课程的4大环节大环节课堂教学；习题作业；课堂教学；习题作业；上机实践；复习考试上机实践；复习考试2024/5/25周六周六57.The End of This Chapter2024/5/25周六周六58.