上海海事大學(xué)信號(hào)分析與處理

1、1信號(hào)分析與處理信號(hào)分析與處理2聯(lián)系方法：聯(lián)系方法：姓姓 名名 ：王錫淮：王錫淮E-mail ： 電話：電話： 38282637辦公室：物流樓辦公室：物流樓431室、室、225室室3要求要求遵守課堂紀(jì)律，認(rèn)真聽課遵守課堂紀(jì)律，認(rèn)真聽課按時(shí)完成作業(yè)按時(shí)完成作業(yè)參加實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告參加實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告曠課、遲到、早退計(jì)入平時(shí)成績(jī)曠課、遲到、早退計(jì)入平時(shí)成績(jī)4主要內(nèi)容主要內(nèi)容連續(xù)信號(hào)分析與處理連續(xù)信號(hào)分析與處理 -信號(hào)與系統(tǒng)信號(hào)與系統(tǒng)離散信號(hào)分析與處理離散信號(hào)分析與處理 -數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理 本課程講授第本課程講授第1章、第章、第2章、第章、第3章、第章、第4章和章和附錄附錄Matlab程

2、序的主要內(nèi)容程序的主要內(nèi)容5第第1章章 緒緒 論論6第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)的定義和分類信號(hào)的定義和分類7上課鈴的聲音信號(hào)、上課鈴的聲音信號(hào)、時(shí)鐘報(bào)時(shí)的聲音信號(hào)、時(shí)鐘報(bào)時(shí)的聲音信號(hào)、汽車?yán)鹊穆曇粜盘?hào)、汽車?yán)鹊穆曇粜盘?hào)、交叉路口紅綠燈的光信號(hào)、交叉路口紅綠燈的光信號(hào)、戰(zhàn)場(chǎng)上信號(hào)彈的光信號(hào)、戰(zhàn)場(chǎng)上信號(hào)彈的光信號(hào)、計(jì)算機(jī)內(nèi)部以及它與外設(shè)之間的電信號(hào)計(jì)算機(jī)內(nèi)部以及它與外設(shè)之間的電信號(hào) 要嚴(yán)格地給信號(hào)下定義，必須搞清楚要嚴(yán)格地給信號(hào)下定義，必須搞清楚信號(hào)、信號(hào)、消息、信息消息、信息三者三者之間的聯(lián)系。之間的聯(lián)系。 信號(hào)的定義信號(hào)的定義8什么是信息？什么是信息？ 信息是指人類社會(huì)和自然界中需要信息是指人類社

3、會(huì)和自然界中需要轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換、交交換換、存儲(chǔ)存儲(chǔ)和和提取提取的抽象內(nèi)容。的抽象內(nèi)容。 信息的特征信息的特征: : 信息具有信息具有客觀性客觀性，它存在于一切事物之中，它存在于一切事物之中，事物的一切變化和運(yùn)動(dòng)都伴隨著信息的交換和傳事物的一切變化和運(yùn)動(dòng)都伴隨著信息的交換和傳送。送。 信息具有信息具有抽象性抽象性，只有通過一定的形式才能，只有通過一定的形式才能把它表現(xiàn)出來。把它表現(xiàn)出來。 由于信息的抽象性，為了交換和傳送，必須由于信息的抽象性，為了交換和傳送，必須通過一定的表現(xiàn)形式將它表示出來通過一定的表現(xiàn)形式將它表示出來。9什么是消息？什么是消息？ 用來表示信息的用來表示信息的語(yǔ)言語(yǔ)言、文字文字、圖

4、象圖象、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)等等稱為消息。稱為消息。 信息是消息的內(nèi)容。信息是消息的內(nèi)容。 電影電影“地道戰(zhàn)地道戰(zhàn)”中的中的“消息樹消息樹” 消息不便于傳送和交換，往往需要借助于某消息不便于傳送和交換，往往需要借助于某種便于傳送和交換的物理量作為種便于傳送和交換的物理量作為運(yùn)載手段運(yùn)載手段。 10什么是信號(hào)？什么是信號(hào)？把聲、光、電等運(yùn)載消息的物理量稱為信號(hào)。把聲、光、電等運(yùn)載消息的物理量稱為信號(hào)。 信號(hào)是時(shí)間或空間的函數(shù)，所攜帶的消息就信號(hào)是時(shí)間或空間的函數(shù)，所攜帶的消息就體現(xiàn)在它們的體現(xiàn)在它們的變化變化之中。之中。 在作為信號(hào)的眾多物理量中，在作為信號(hào)的眾多物理量中，電電是應(yīng)用最廣是應(yīng)用最廣泛的物理量

5、。因?yàn)樗菀追旱奈锢砹俊Ｒ驗(yàn)樗菀桩a(chǎn)生、傳輸和控制產(chǎn)生、傳輸和控制，也，也容易實(shí)現(xiàn)與其他物理量的相互轉(zhuǎn)換。容易實(shí)現(xiàn)與其他物理量的相互轉(zhuǎn)換。 通常所指的信號(hào)主要是通常所指的信號(hào)主要是電信號(hào)電信號(hào)。 11例如：甲通過電話告訴了乙一件乙例如：甲通過電話告訴了乙一件乙不知道不知道的事情。的事情。乙得到了信息，它是客觀存在的；乙得到了信息，它是客觀存在的；乙是從甲的語(yǔ)言這一表現(xiàn)形式中得到信息；乙是從甲的語(yǔ)言這一表現(xiàn)形式中得到信息；電話傳輸線上變化的電物理量是運(yùn)載語(yǔ)言消電話傳輸線上變化的電物理量是運(yùn)載語(yǔ)言消息、傳送信息的信號(hào)。息、傳送信息的信號(hào)。信號(hào)信號(hào)電物理量電物理量 消息消息語(yǔ)言語(yǔ)言 信息信息事情事情

6、 12信號(hào)的描述信號(hào)的描述 物理：物理： 信號(hào)是表示信息變化的形式信號(hào)是表示信息變化的形式 數(shù)學(xué)：數(shù)學(xué)： 信號(hào)是一個(gè)或多個(gè)變量的函數(shù)信號(hào)是一個(gè)或多個(gè)變量的函數(shù) 形態(tài)：形態(tài)： 信號(hào)表現(xiàn)為一種波形信號(hào)表現(xiàn)為一種波形信號(hào)信號(hào)作為時(shí)間或空間的函數(shù)可以用數(shù)學(xué)解析式表作為時(shí)間或空間的函數(shù)可以用數(shù)學(xué)解析式表達(dá)，一般是一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立變量的達(dá)，一般是一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立變量的實(shí)值函數(shù)實(shí)值函數(shù)。也。也可以用圖形來表示?？梢杂脠D形來表示。 13一維信號(hào)：一維信號(hào)：具有一個(gè)獨(dú)立變量的信號(hào)函數(shù)具有一個(gè)獨(dú)立變量的信號(hào)函數(shù) 例如由語(yǔ)言轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)、信號(hào)發(fā)生器例如由語(yǔ)言轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)、信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波、方波等信號(hào)都是一

7、個(gè)獨(dú)立變量時(shí)產(chǎn)生的正弦波、方波等信號(hào)都是一個(gè)獨(dú)立變量時(shí)間間t的函數(shù)的函數(shù)x(t)； 二維信號(hào)：二維信號(hào)：具有二個(gè)獨(dú)立變量的信號(hào)函數(shù)具有二個(gè)獨(dú)立變量的信號(hào)函數(shù) 一幅靜止的黑白平面圖象，由位于平面不同一幅靜止的黑白平面圖象，由位于平面不同位置呈不同亮度（或灰度）的像點(diǎn)組成，是兩個(gè)位置呈不同亮度（或灰度）的像點(diǎn)組成，是兩個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)獨(dú)立變量的函數(shù)I(x,y)； 三維信號(hào)：三維信號(hào)：具有三個(gè)獨(dú)立變量的信號(hào)函數(shù)具有三個(gè)獨(dú)立變量的信號(hào)函數(shù) 活動(dòng)的黑白電視圖像，像點(diǎn)的亮度還隨時(shí)間活動(dòng)的黑白電視圖像，像點(diǎn)的亮度還隨時(shí)間t變化，是三個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)變化，是三個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)I(x,y,t)。 14信號(hào)的分類

8、信號(hào)的分類本書主要以本書主要以一維信號(hào)一維信號(hào)x(t)為研究對(duì)象，其中為研究對(duì)象，其中獨(dú)立變量獨(dú)立變量t根據(jù)具體情況可以是時(shí)間，也可以是其根據(jù)具體情況可以是時(shí)間，也可以是其它物理量。它物理量。 根據(jù)信號(hào)所具有的時(shí)間函數(shù)特性，可以分為：根據(jù)信號(hào)所具有的時(shí)間函數(shù)特性，可以分為：確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)周期信號(hào)與非周期信號(hào)周期信號(hào)與非周期信號(hào)能量信號(hào)與功率信號(hào)能量信號(hào)與功率信號(hào) 15一、確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)一、確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào) 按確定性規(guī)律變化的信號(hào)按確定性規(guī)律變化的信號(hào)稱為確定性信號(hào)。稱為確定性信號(hào)。 確定性信號(hào)可以用數(shù)學(xué)解析式或確定性曲線確定性信號(hào)

9、可以用數(shù)學(xué)解析式或確定性曲線準(zhǔn)確地描述，在相同的條件下能夠準(zhǔn)確地描述，在相同的條件下能夠重現(xiàn)重現(xiàn)，因此，因此，只要掌握了變化規(guī)律，就能準(zhǔn)確地只要掌握了變化規(guī)律，就能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)它的未來。它的未來。 例如正弦信號(hào)，它可以用正弦函數(shù)描述，對(duì)例如正弦信號(hào)，它可以用正弦函數(shù)描述，對(duì)給定的任一時(shí)刻都對(duì)應(yīng)有確定的函數(shù)值，包括未給定的任一時(shí)刻都對(duì)應(yīng)有確定的函數(shù)值，包括未來時(shí)刻。正弦函數(shù)由來時(shí)刻。正弦函數(shù)由幅值、頻率、相位幅值、頻率、相位三個(gè)參數(shù)三個(gè)參數(shù)確定。確定。 1617 不遵循任何確定性規(guī)律變化的信號(hào)不遵循任何確定性規(guī)律變化的信號(hào)稱為隨機(jī)稱為隨機(jī)信號(hào)。信號(hào)。 隨機(jī)信號(hào)隨機(jī)信號(hào)的未來值不能用精確的時(shí)間函

10、數(shù)描的未來值不能用精確的時(shí)間函數(shù)描述，無(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，在相同的條件下，它也不述，無(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，在相同的條件下，它也不能準(zhǔn)確地重現(xiàn)。能準(zhǔn)確地重現(xiàn)。 馬路上的噪聲、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)量、海浪、馬路上的噪聲、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)量、海浪、生物電、地震波等等都是隨機(jī)信號(hào)。生物電、地震波等等都是隨機(jī)信號(hào)。 1819二、連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)二、連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào) 按按自變量自變量t的取值特點(diǎn)的取值特點(diǎn)可以把信號(hào)分為連續(xù)信可以把信號(hào)分為連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)。號(hào)與離散信號(hào)。 連續(xù)信號(hào)連續(xù)信號(hào)如如圖圖1-1a所示，它的描述函數(shù)的所示，它的描述函數(shù)的定義定義域是連續(xù)域是連續(xù)的，的，即即對(duì)于任意時(shí)間值其描述函數(shù)都有對(duì)于任意時(shí)間

11、值其描述函數(shù)都有定義定義，有時(shí)也稱為，有時(shí)也稱為連續(xù)時(shí)間信號(hào)連續(xù)時(shí)間信號(hào)，用，用x(t)表示。表示。 20離散信號(hào)離散信號(hào)如圖如圖1-1b所示，它的描述函數(shù)的所示，它的描述函數(shù)的定定義域是某些離散點(diǎn)的集合義域是某些離散點(diǎn)的集合。即其即其描述函數(shù)僅在規(guī)定的離散時(shí)刻有定義描述函數(shù)僅在規(guī)定的離散時(shí)刻有定義，有時(shí)也稱為有時(shí)也稱為離散時(shí)間信號(hào)，離散時(shí)間信號(hào)，用用x(tn)表示，其中表示，其中tn為為某特定時(shí)刻。某特定時(shí)刻。21 離散信號(hào)可以是連續(xù)信號(hào)的抽樣信號(hào)，但不離散信號(hào)可以是連續(xù)信號(hào)的抽樣信號(hào)，但不一定都是從連續(xù)信號(hào)采樣得到的，一定都是從連續(xù)信號(hào)采樣得到的，有些信號(hào)只是有些信號(hào)只是在規(guī)定的離散時(shí)刻才

12、有意義。在規(guī)定的離散時(shí)刻才有意義。例如：人口的年平均出生率例如：人口的年平均出生率 商店每天的銷售額等。商店每天的銷售額等。 圖圖1-1b表示的是表示的是離散點(diǎn)在時(shí)間軸上均勻分布離散點(diǎn)在時(shí)間軸上均勻分布的的情況，但也可以不均勻分布。情況，但也可以不均勻分布。 均勻分布的離散信號(hào)可以表示為均勻分布的離散信號(hào)可以表示為x(nT)或或x(n)，也可稱為也可稱為時(shí)間序列時(shí)間序列。 22連續(xù)信號(hào)只強(qiáng)調(diào)連續(xù)信號(hào)只強(qiáng)調(diào)時(shí)間坐標(biāo)的連續(xù)時(shí)間坐標(biāo)的連續(xù)，并不強(qiáng)調(diào)，并不強(qiáng)調(diào)函數(shù)幅度取值的連續(xù)；函數(shù)幅度取值的連續(xù)；因此，一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)連續(xù)、因此，一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)連續(xù)、幅度經(jīng)過量化幅度經(jīng)過量化（幅度經(jīng)過近似處理只取有限個(gè)離散

13、值）的信號(hào)（幅度經(jīng)過近似處理只取有限個(gè)離散值）的信號(hào)仍然是連續(xù)信號(hào)；仍然是連續(xù)信號(hào)；而那些而那些時(shí)間和幅度均為連續(xù)取值的信號(hào)稱為時(shí)間和幅度均為連續(xù)取值的信號(hào)稱為模擬信號(hào)模擬信號(hào)。 顯然，顯然，模擬信號(hào)是連續(xù)信號(hào)，而連續(xù)信號(hào)不模擬信號(hào)是連續(xù)信號(hào)，而連續(xù)信號(hào)不一定是模擬信號(hào)一定是模擬信號(hào)。23同理，時(shí)間和幅度均為離散取值的信號(hào)稱為同理，時(shí)間和幅度均為離散取值的信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)；數(shù)字信號(hào)；數(shù)字信號(hào)是離散信號(hào)，而離散信號(hào)不一定是數(shù)字信號(hào)是離散信號(hào)，而離散信號(hào)不一定是數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)。 24三、周期信號(hào)與非周期信號(hào)三、周期信號(hào)與非周期信號(hào) 周期信號(hào)是周期信號(hào)是依時(shí)間周而復(fù)始依時(shí)間周而復(fù)始的信號(hào)。的信號(hào)。

14、 對(duì)于連續(xù)信號(hào)，若存在對(duì)于連續(xù)信號(hào)，若存在T0，使使 )()(nTtxtxn n為整數(shù)為整數(shù)(1-1)(1-1)對(duì)于離散信號(hào)，若存在大于零的整數(shù)對(duì)于離散信號(hào)，若存在大于零的整數(shù)N N )()(kNnxnxk k為整數(shù)為整數(shù)(1-2)(1-2)則稱則稱x(t)、x(n)為周期信號(hào)，為周期信號(hào)，T和和N分別為分別為x(t)和和x(n)的周期。的周期。特點(diǎn)：特點(diǎn)：知道了周期信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的變化過程知道了周期信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的變化過程，就可以確定整個(gè)定義域的信號(hào)取值。就可以確定整個(gè)定義域的信號(hào)取值。 25不具有周期的信號(hào)就是不具有周期的信號(hào)就是非周期信號(hào)非周期信號(hào)，它們一，它們一定不滿足式（定不滿足

15、式（1-1）或式（）或式（1-2）。）。 非周期信號(hào)也可以看作為非周期信號(hào)也可以看作為周期是無(wú)窮大的周周期是無(wú)窮大的周期信號(hào)期信號(hào)，即在有限時(shí)間范圍內(nèi)其波形不重復(fù)出現(xiàn)。，即在有限時(shí)間范圍內(nèi)其波形不重復(fù)出現(xiàn)。 26四、能量信號(hào)與功率信號(hào)四、能量信號(hào)與功率信號(hào) 從能量的觀點(diǎn)來研究信號(hào)，為此把從能量的觀點(diǎn)來研究信號(hào)，為此把信號(hào)信號(hào)x(t)看看作加在作加在1 電阻上的電流電阻上的電流，則在時(shí)間間隔，則在時(shí)間間隔-T-T t t T T內(nèi)內(nèi)所消耗的能量為：所消耗的能量為： dttxWTTT2lim(1-3)其平均功率為：其平均功率為： dttxTPTTT)(21lim2(1-4) 若信號(hào)函數(shù)平方可積，則

16、若信號(hào)函數(shù)平方可積，則W為有限值，稱為為有限值，稱為能量有限信號(hào)簡(jiǎn)稱能量有限信號(hào)簡(jiǎn)稱能量信號(hào)能量信號(hào)。根據(jù)式（。根據(jù)式（1-4），），能能量信號(hào)的平均功率為零量信號(hào)的平均功率為零。實(shí)際的信號(hào)大多是持續(xù)。實(shí)際的信號(hào)大多是持續(xù)時(shí)間有限的能量信號(hào)。時(shí)間有限的能量信號(hào)。 27另一種情況，若信號(hào)另一種情況，若信號(hào)x(t)的的W趨于無(wú)窮（相當(dāng)趨于無(wú)窮（相當(dāng)于于1 電阻消耗的能量），而電阻消耗的能量），而P（相當(dāng)于平均功率）（相當(dāng)于平均功率）為不等于零的有限值，則為為不等于零的有限值，則為功率信號(hào)功率信號(hào)。 一個(gè)幅度有限的周期信號(hào)或隨機(jī)信號(hào)是一個(gè)幅度有限的周期信號(hào)或隨機(jī)信號(hào)是能量信號(hào)還是功率信號(hào)能量信號(hào)還是

17、功率信號(hào)? 能量無(wú)限，但功率有限，為功率信號(hào)。能量無(wú)限，但功率有限，為功率信號(hào)。 一個(gè)信號(hào)可以既不是能量信號(hào)，也不是功率一個(gè)信號(hào)可以既不是能量信號(hào)，也不是功率信號(hào)，但信號(hào)，但不可能既是能量信號(hào)又是功率信號(hào)不可能既是能量信號(hào)又是功率信號(hào)。 對(duì)于離散信號(hào)，可以得出類似的定義和結(jié)論對(duì)于離散信號(hào)，可以得出類似的定義和結(jié)論。 28例例 1-1判斷下列信號(hào)那些屬于能量信號(hào)，那些屬于功率判斷下列信號(hào)那些屬于能量信號(hào)，那些屬于功率信號(hào)。信號(hào)。 其它, 010,)(1tAtf解：解： 根據(jù)式（根據(jù)式（1-4），上述信號(hào)的），上述信號(hào)的W、P分別可計(jì)分別可計(jì)算為算為 0,lim121021PAdtAWTf1(t)

18、為能量信號(hào)；為能量信號(hào)； 29ttAtf),cos()(02f2(t)為功率信號(hào)；為功率信號(hào)； 解解 根據(jù)式（根據(jù)式（1-4），上述信號(hào)的），上述信號(hào)的W、P分別可計(jì)算分別可計(jì)算為為 2)(cos2lim,)(coslim202220222AdttTAPdttAWTTTTTT30其它, 01,)(4/13tttff3(t)既非能量信號(hào)又非功率信號(hào)。既非能量信號(hào)又非功率信號(hào)。 解解 根據(jù)式（根據(jù)式（1-4），上述信號(hào)的），上述信號(hào)的W、P分別可計(jì)算分別可計(jì)算為為 021lim,lim12/1312/13dttTPdttWTTTT31第二節(jié)第二節(jié) 信號(hào)分析與處理概述信號(hào)分析與處理概述 32信號(hào)是信

19、息的載體，為了有效地信號(hào)是信息的載體，為了有效地獲得信息以獲得信息以及利用信息及利用信息，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與處理分析與處理。對(duì)信息的對(duì)信息的利用程度利用程度在一定意義取決于信號(hào)的在一定意義取決于信號(hào)的分析與處理技術(shù)。分析與處理技術(shù)。 信號(hào)分析信號(hào)分析通過解析法或測(cè)試法找出不同信號(hào)通過解析法或測(cè)試法找出不同信號(hào)的特征，從而了解其特性，掌握它的特征，從而了解其特性，掌握它隨時(shí)間或頻率隨時(shí)間或頻率變化的規(guī)律變化的規(guī)律。也就是從客觀上認(rèn)識(shí)信號(hào)。也就是從客觀上認(rèn)識(shí)信號(hào)。信號(hào)分析信號(hào)分析33通過信號(hào)分析，通過信號(hào)分析，將一個(gè)復(fù)雜信號(hào)分解成若干將一個(gè)復(fù)雜信號(hào)分解成若干簡(jiǎn)單信號(hào)分量之和簡(jiǎn)單信

20、號(hào)分量之和或者或者用有限的一組參量去表示用有限的一組參量去表示一個(gè)復(fù)雜波形的信號(hào)。一個(gè)復(fù)雜波形的信號(hào)。然后從這些分量的組成情然后從這些分量的組成情況或這組有限的參量去考察信號(hào)的特性；況或這組有限的參量去考察信號(hào)的特性； 34信號(hào)分析是獲取信號(hào)源（主要指被研究的系信號(hào)分析是獲取信號(hào)源（主要指被研究的系統(tǒng)）統(tǒng)）特征信息特征信息的重要手段，可以通過對(duì)信號(hào)特征的重要手段，可以通過對(duì)信號(hào)特征的詳細(xì)了解，得到信號(hào)源特征、運(yùn)行情況甚至故的詳細(xì)了解，得到信號(hào)源特征、運(yùn)行情況甚至故障等信息。障等信息。這正是這正是故障分析故障分析和和故障診斷故障診斷的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。 35信號(hào)處理信號(hào)處理是指通過是指通過對(duì)信號(hào)的加

21、工和變換對(duì)信號(hào)的加工和變換，把，把一個(gè)信號(hào)變換成另一個(gè)信號(hào)的過程。一個(gè)信號(hào)變換成另一個(gè)信號(hào)的過程。 例如為了有效地例如為了有效地利用信號(hào)中包含的有用信息利用信號(hào)中包含的有用信息，采用一定的手段采用一定的手段剔除原始信號(hào)中混雜的噪聲剔除原始信號(hào)中混雜的噪聲，這，這個(gè)過程就是最基本的信號(hào)處理過程。個(gè)過程就是最基本的信號(hào)處理過程。 因此，也可以把信號(hào)處理理解為為了特定的因此，也可以把信號(hào)處理理解為為了特定的目的，通過一定的手段目的，通過一定的手段改造改造信號(hào)。信號(hào)。 信號(hào)處理信號(hào)處理36 信號(hào)的分析和處理是互相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)方面，信號(hào)的分析和處理是互相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)方面，它們的側(cè)重面不同，采取的手段也不同。

22、它們的側(cè)重面不同，采取的手段也不同。 但是它們又是密不可分的，只有通過信號(hào)但是它們又是密不可分的，只有通過信號(hào)的分析，充分了解信號(hào)的特性，才能有效地對(duì)的分析，充分了解信號(hào)的特性，才能有效地對(duì)它進(jìn)行處理和加工，可見它進(jìn)行處理和加工，可見信號(hào)分析是信號(hào)處理信號(hào)分析是信號(hào)處理的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。 通過對(duì)信號(hào)的一定加工和變換，可以通過對(duì)信號(hào)的一定加工和變換，可以突出突出信號(hào)的特征信號(hào)的特征，便于有效地認(rèn)識(shí)信號(hào)的特性。從，便于有效地認(rèn)識(shí)信號(hào)的特性。從這一意義上說，這一意義上說，信號(hào)處理又可認(rèn)為是信號(hào)分析信號(hào)處理又可認(rèn)為是信號(hào)分析的手段的手段。 37 但是，認(rèn)識(shí)但是，認(rèn)識(shí)（分析）（分析）信號(hào)也好，改造信號(hào)也好，

23、改造（處理）（處理）信號(hào)也好，共同的目的都是為了充分地從信號(hào)中信號(hào)也好，共同的目的都是為了充分地從信號(hào)中獲取有用信息并實(shí)現(xiàn)對(duì)這些獲取有用信息并實(shí)現(xiàn)對(duì)這些信息的有效利用信息的有效利用。 例如，在通信領(lǐng)域如何實(shí)現(xiàn)可靠、經(jīng)濟(jì)和快例如，在通信領(lǐng)域如何實(shí)現(xiàn)可靠、經(jīng)濟(jì)和快速的信息傳輸交換；速的信息傳輸交換； 在自動(dòng)控制領(lǐng)域如何獲取系統(tǒng)輸出信號(hào)的最在自動(dòng)控制領(lǐng)域如何獲取系統(tǒng)輸出信號(hào)的最佳狀態(tài)、動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能。佳狀態(tài)、動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能。 38 信息時(shí)代的到來使信息科學(xué)滲透到社會(huì)活動(dòng)、信息時(shí)代的到來使信息科學(xué)滲透到社會(huì)活動(dòng)、生產(chǎn)活動(dòng)甚至日常生活的各個(gè)方面。生產(chǎn)活動(dòng)甚至日常生活的各個(gè)方面。 作為信息科作為信息科學(xué)的

24、基礎(chǔ)學(xué)的基礎(chǔ)信號(hào)分析與處理已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于：信號(hào)分析與處理已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于：通信、通信、自動(dòng)控制自動(dòng)控制、故障診斷故障診斷、生物醫(yī)學(xué)、遙感遙測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、遙感遙測(cè)、語(yǔ)言處理、圖像處理、語(yǔ)言處理、圖像處理、振動(dòng)學(xué)、地震學(xué)、氣象學(xué)振動(dòng)學(xué)、地震學(xué)、氣象學(xué)等等各種科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為各門學(xué)科發(fā)展的技術(shù)各種科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為各門學(xué)科發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)和有力工具?；A(chǔ)和有力工具。 39按對(duì)信號(hào)分析處理方法的不同，可分為：按對(duì)信號(hào)分析處理方法的不同，可分為：模擬信號(hào)處理系統(tǒng)模擬信號(hào)處理系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng) 40模擬信號(hào)處理系統(tǒng)模擬信號(hào)處理系統(tǒng) 輸入是模擬信號(hào)輸入是模擬信號(hào)，通過模擬元件，通過模擬元

25、件RLC及模擬及模擬電路構(gòu)成的模擬系統(tǒng)的加工處理，電路構(gòu)成的模擬系統(tǒng)的加工處理，輸出的仍然是輸出的仍然是模擬信號(hào)模擬信號(hào)，其基本形式如圖，其基本形式如圖1-2所示。所示。 模擬濾波器是模擬信號(hào)處理系統(tǒng)最典型的例模擬濾波器是模擬信號(hào)處理系統(tǒng)最典型的例子。子。 41數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào)處理是數(shù)字信號(hào)處理是20世紀(jì)世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來年代以后發(fā)展起來的技術(shù)，它依賴于的技術(shù)，它依賴于大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路和和數(shù)字信號(hào)處數(shù)字信號(hào)處理算法理算法的發(fā)展，其核心是的發(fā)展，其核心是用數(shù)字計(jì)算機(jī)的運(yùn)算功用數(shù)字計(jì)算機(jī)的運(yùn)算功能代替模擬電路裝置能代替模擬電路裝置，達(dá)到信號(hào)加工的目的。，

26、達(dá)到信號(hào)加工的目的。 圖圖1-3表示了數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。表示了數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。 42 系統(tǒng)首先通過模系統(tǒng)首先通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換（數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D, Analogy/ Digital）把原始模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，當(dāng)然，）把原始模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，當(dāng)然，如果原始信號(hào)是離散時(shí)間信號(hào)，只要經(jīng)過如果原始信號(hào)是離散時(shí)間信號(hào)，只要經(jīng)過量化過量化過程程就能成為數(shù)字信號(hào)。就能成為數(shù)字信號(hào)。 數(shù)字系統(tǒng)是數(shù)字系統(tǒng)是通用數(shù)字計(jì)算機(jī)或者專用數(shù)字硬通用數(shù)字計(jì)算機(jī)或者專用數(shù)字硬件件構(gòu)成的系統(tǒng)，它按預(yù)先給定的處理程序?qū)?shù)字構(gòu)成的系統(tǒng)，它按預(yù)先給定的處理程序?qū)?shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，處理結(jié)果是數(shù)字形式的。信

27、號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，處理結(jié)果是數(shù)字形式的。 在一些情況下，這些數(shù)字結(jié)果就能滿足處理在一些情況下，這些數(shù)字結(jié)果就能滿足處理的要求，直接可用。在另一些情況下，為了得到的要求，直接可用。在另一些情況下，為了得到模擬輸出，將數(shù)字輸出經(jīng)過數(shù)模擬輸出，將數(shù)字輸出經(jīng)過數(shù)-模變換（模變換（D/A）即）即可。可。 43 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)以數(shù)學(xué)運(yùn)算的形式對(duì)信號(hào)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)以數(shù)學(xué)運(yùn)算的形式對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)分析和處理，擯棄了傳統(tǒng)的模擬電路處理信實(shí)現(xiàn)分析和處理，擯棄了傳統(tǒng)的模擬電路處理信號(hào)的形式，因而具有號(hào)的形式，因而具有 ：處理功能強(qiáng)處理功能強(qiáng)精度高精度高靈活性大靈活性大穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，

28、處理隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，處理的實(shí)時(shí)性不斷得到提高?？梢哉f，的實(shí)時(shí)性不斷得到提高?？梢哉f，數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理是信號(hào)處理的發(fā)展趨勢(shì)是信號(hào)處理的發(fā)展趨勢(shì)，特別是一些復(fù)雜的信號(hào)，特別是一些復(fù)雜的信號(hào)處理任務(wù)更是如此。處理任務(wù)更是如此。 44快速傅立葉變換算法快速傅立葉變換算法 微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字信號(hào)微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字信號(hào)處理提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)處理提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)（硬件）（硬件）。數(shù)字信號(hào)處理的核心是處理算法數(shù)字信號(hào)處理的核心是處理算法（軟件）（軟件） 庫(kù)利（庫(kù)利（J. W. Cooley）和圖基（）和圖基（J. W. Tukey）在在1965年

29、發(fā)明的一種年發(fā)明的一種快速傅立葉變換算法快速傅立葉變換算法( (FFT)，它的出現(xiàn)，使數(shù)學(xué)信號(hào)處理的速度提高了它的出現(xiàn)，使數(shù)學(xué)信號(hào)處理的速度提高了幾個(gè)數(shù)幾個(gè)數(shù)量級(jí)量級(jí)，真正開創(chuàng)了數(shù)字信號(hào)處理的新時(shí)代。，真正開創(chuàng)了數(shù)字信號(hào)處理的新時(shí)代。 45數(shù)字信號(hào)處理芯片數(shù)字信號(hào)處理芯片 在大規(guī)模集成電路技術(shù)以及處理算法的進(jìn)一在大規(guī)模集成電路技術(shù)以及處理算法的進(jìn)一步發(fā)展和推動(dòng)下，數(shù)字信號(hào)處理得到了迅猛發(fā)展步發(fā)展和推動(dòng)下，數(shù)字信號(hào)處理得到了迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各種專用器材和設(shè)備的不斷涌現(xiàn)。和廣泛應(yīng)用，各種專用器材和設(shè)備的不斷涌現(xiàn)。 特別是特別是20世紀(jì)世紀(jì)80年代推出了年代推出了高速數(shù)字信號(hào)處高速數(shù)字信號(hào)處理芯

30、片理芯片(DSP)，極大的，極大的提高了信號(hào)處理能力提高了信號(hào)處理能力，并使，并使程序設(shè)計(jì)開發(fā)工作簡(jiǎn)單易行，是數(shù)字信號(hào)處理技程序設(shè)計(jì)開發(fā)工作簡(jiǎn)單易行，是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)里程碑。術(shù)發(fā)展的又一個(gè)里程碑。 軟件硬化46第三節(jié)第三節(jié) 信號(hào)分析、處理與自信號(hào)分析、處理與自動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)控制系統(tǒng) 47自動(dòng)控制系統(tǒng)是由相互制約的若干個(gè)部分組自動(dòng)控制系統(tǒng)是由相互制約的若干個(gè)部分組成，為了達(dá)到某一控制目的具有一定功能的一個(gè)成，為了達(dá)到某一控制目的具有一定功能的一個(gè)整體，它整體，它利用控制器使控制對(duì)象的物理量自動(dòng)地利用控制器使控制對(duì)象的物理量自動(dòng)地按預(yù)定的規(guī)律變化按預(yù)定的規(guī)律變化。圖。圖1-4表示了一個(gè)

31、典型的自動(dòng)表示了一個(gè)典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)框圖?？刂葡到y(tǒng)框圖。48 其中其中r(t)為系統(tǒng)輸入變量，為系統(tǒng)輸入變量，u(t)為控制變量，為控制變量，y(t)為系統(tǒng)輸出變量，為系統(tǒng)輸出變量，f(t)和和e(t)分別稱為反饋?zhàn)兞糠謩e稱為反饋?zhàn)兞亢推钭兞?。和偏差變量?一個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，除了能量流和物一個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，除了能量流和物質(zhì)流以外，質(zhì)流以外，信息流起著關(guān)鍵的作用信息流起著關(guān)鍵的作用，通過各個(gè)組，通過各個(gè)組成環(huán)節(jié)的信號(hào)變換和作用，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)成環(huán)節(jié)的信號(hào)變換和作用，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能。控制功能。 因此，自動(dòng)控制系統(tǒng)就是一個(gè)因此，自動(dòng)控制系統(tǒng)就是一個(gè)將輸入信號(hào)加將輸入信

32、號(hào)加工和變換為人們所希望的輸出信號(hào)的設(shè)備工和變換為人們所希望的輸出信號(hào)的設(shè)備，而自，而自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程，就是對(duì)信號(hào)的加工、變動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程，就是對(duì)信號(hào)的加工、變換過程。換過程。 49控制器的作用：控制器的作用：把偏差信號(hào)變換為施加于控把偏差信號(hào)變換為施加于控制對(duì)象的控制信號(hào)制對(duì)象的控制信號(hào)這一變換過程的正確與否將直接影響自動(dòng)控這一變換過程的正確與否將直接影響自動(dòng)控制系統(tǒng)的一系列重要特性，制系統(tǒng)的一系列重要特性，如穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、如穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性靜態(tài)特性等。等。自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，主要就是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，主要就是實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的設(shè)計(jì)和綜合，就是在控制器上實(shí)現(xiàn)一對(duì)控制器