電子信息工程概論課件第四章

第四章信號的分析及處理技術

在人類社會活動中，人們經常以語言、文字、圖形和數據等方式傳播和接收消息，所謂消息可以認為是通過一定手段所表達的感覺、思想和意見等。從維持生存及完成社會職能等角度來說，人類必須不停地進行各種消息的傳遞和交換。在人類較早的時期，便有結繩記事、擊鼓傳情和烽火報警等簡單的信息表達和信息傳遞方式。

早期的信息表達和傳遞方式

消息是信息的載體，信息是消息中蘊含的尚未確定的內容。若把消息這個載體以物理量的形式表現出來，如用聲、光、電、偏移、速度、加速度、溫度、濕度和顏色等代替消息，則構成信號。這就是說，信號只是消息的一種物理表現形式，因此消息與信息的關系，也就是信號與信息的關系，即信號也是信息的載體，反映信息的物理量。從信息的傳輸和處理的角度來說，信號較之消息的其他表現形式，4.1概述4.1.1信號的定義與描述

任何攜帶信息的物理量皆可以作為信號。信號處理的目的就是要從一大堆混合的、雜亂的信息中提取或增強有用的信息。因此，信號處理的實質就是提取、增強、存儲和傳輸有用信息的一種運算。數學上，信號可以描述為一個或若干個自變量的函數或序列的形式。信號的另外一種描述方式是“波形”描述。“頻譜”也是信號的描述方法之一，它是頻率的函數，可以與表示信號的函數或序列一一對應。

所謂信號分析，就是通過解析方法或測試方法找出不同信號的特征，從而了解其特性，掌握它隨時間或頻率變化的規(guī)律的過程。所謂信號處理，就是指通過對信號的變換和加工，把一個信號變換成另一個信號的過程。因此，也可以把信號處理理解為為了特定的目的，通過一定的手段改造信號的過程。4.1.2

信號分析和處理的目的及方法

信號分析和處理的基本方法

信號處理方法4.1.3信號處理基本內容

例1：在生活實踐中我們發(fā)現有的汽車喇叭比較好，有的喇叭則在近處聽了刺耳，遠處又聽不清晰。圖4-3(a)、(c)為兩種喇叭聲在時域中的波形圖，圖中我們很難看出喇叭的質量差別。但如果分別把它們的時域波形作頻譜分析后(取樣頻率為8kHz)，得頻譜圖4-3(b)、(d)，從中就很容易看出差異，好的喇叭頻譜圖主要含有三個頻譜分量(又稱三音)，所以后者(對應于時域波形圖c和的頻譜圖d)的質量明顯優(yōu)于前者。

喇叭聲音對比圖我們區(qū)分了喇叭音質的好壞，用到了頻域分析法。所謂頻域分析法就是傅里葉分析法，它是變換域分析法的基石。

一般來說，信號總是雜亂的，但實際上這種雜亂常常是正弦波的簡單迭加，其次，信號的頻率表示更有利于信號辨別、分離、傳輸等。更重要的是用頻譜來分析一個波形，就可以了解到波形源的某些信息因。

在信號的實際處理中我們除了進行必要的頻域變換外，還需要對信號進行濾波處理。這是因為理想的信號是不存在的，信號總會或多或少的受到噪聲的影響。為了優(yōu)化信號處理的效果，我們必須設法將噪聲的影響降到最低，這就要用到濾波的原理。即通過濾波器將信號中不需要的成分盡可能的濾除，保留信號中的有用成分。(a)低通

(b)高通(d)帶阻(c)帶通

理想濾波器頻率特性

頻譜變換可以使我們更好的了解信號信息，更好的分析信號的特性。但傅里葉變換的計算過程是復雜的，特別是對于模擬信號的頻域變換，很難在計算機上操作。

1965年，美國庫利（J．W．Cooley）和圖基（J．W．Tukey）提出了快速傅里葉變換計算方法，這不僅大大降低了變換運算的次數，也簡化了計算結果的存儲。

模擬信號進行數字化——信號抽樣模擬信號經過數字化處理的過程框圖。

模擬信號與數字信號相互轉換4.2信號分析和處理的基礎知識4.2.1信號的分類

在介紹信號的分類方式前，我們先來看實際生活中的兩個例子。例2：某減速機振動測點布置圖如圖4-7所示。在該機械系統(tǒng)中，回轉體不平衡引起的振動，往往是一種周期性運動，由測點3測到的信號波形如圖4-8。從圖中波形我們可以看到，可以近似地看作為周期信號。某減速機振動測點布置圖

某減速機測點3振動信號波形

例3：錘子的敲擊力、承載纜繩斷裂時的應力變化、熱電偶插入加熱爐中溫度的變化過程等，這些信號都屬于瞬變非周期信號，并且可用數學關系式（指數函數和正弦函數）描述。例如，圖4-9是單自由度振動模型在脈沖力作用下的響應。單自由度振動模型在脈沖力作用下的響應為了深入了解信號的物理實質，將其進行分類研究是非常必要的。下面將從不同的角度來對信號進行分類。確定性信號和隨機性信號

2）周期信號與非周期信號在規(guī)則信號之中又可分為周期信號與非周期信號。所謂周期信號就是依一定時間間隔周而復始，而且是無始無終的信號，它們的表示式可以寫作滿足此關系式的最小T值稱為信號的周期。

周期信號的兩種形式

(a)連續(xù)信號

(b)離散信號

4-10周期信號

3）連續(xù)時間信號和離散時間信號在自變量的整個連續(xù)區(qū)間內都有定義的信號是連續(xù)時間信號，簡稱連續(xù)信號。需要說明的是，這里的“連續(xù)”指的是定義域，信號的值域可以是連續(xù)的，也可以不是連續(xù)的。僅在一些離散的時間點上才有定義的信號稱為離散時間信號，簡稱離散信號。同樣，這里的“離散”指的是定義域，其值域可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。

離散余弦信號信號

4)模擬信號與數字信號

一個數字信號，各離散時刻的值只取“0”或“1”。數字信號—般都是通過把模擬信號經過模數轉換(A/D)后得到。

數字信號5)因果信號與非因果信號如果一個信號只在自變量的正半軸左閉區(qū)間[0,+∞)才取非零值，而在(-∞，0)開區(qū)間內取值均為零值，那么這樣的信號就稱為因果信號，否則就稱為非因果信號。

6）一維信號與多維信號從數學表達式來看，信號又可以表示為一個或多個變量的函數。語音信號可以表示為聲壓隨時間變化的函數，這是一維信號。而一張黑白圖像每個點(像素)具有不同的光強度，任一點又是二維平面坐標中兩個變量的函數，這是二維信號。實際上，還可以出現更多維變量的信號。例如，電磁波在三維空間傳播，同時考慮時間變量而構成四維信號。

語音信號4.2.2典型信號及其基本特性

在信號處理問題研究的中，經常會遇到一些典型的連續(xù)時間信號，如正弦信號、指數信號、抽樣函數、沖激信號等。熟練掌握這些信號的表達式及性質對進一步研究十分有意義。典型信號4.2.3系統(tǒng)的概念

系統(tǒng)一般可定義為由若干個相互依賴的事物組成的具有特定功能的整體。例如太陽系、人的神經組織系統(tǒng)、原子結構等屬于自然系統(tǒng)；交通運輸網、大型計算機等屬于人工系統(tǒng)；社會經濟、政治結構等屬于非物理系統(tǒng)；機械傳動系統(tǒng)、通信網、電力網等屬于物理系統(tǒng)。因此系統(tǒng)是一個并不陌生的應用非常廣泛的概念。

在信號分析與信息處理領域中所研究的系統(tǒng)一般不是指應用中的一個具體系統(tǒng)，系統(tǒng)模型4.2.4系統(tǒng)的分類1）連續(xù)時間系統(tǒng)與離散時間系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸入與輸出都是連續(xù)時間信號，則稱此系統(tǒng)為連續(xù)時間系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸入和輸出都是離散時間信號，則稱此系統(tǒng)為離散時間系統(tǒng)。實際上，離散時間系統(tǒng)為連續(xù)時間系統(tǒng)經常與連續(xù)時間系統(tǒng)組合運用，這種情況稱為混合系統(tǒng)。連續(xù)時間系統(tǒng)的數學模型是微分方程，離散時間系統(tǒng)的數學模型則是差分方程。

例4：簡單力學系統(tǒng)如下圖所示。在光滑平面上，質量為m的鋼性球體在水平外力f(t)的作用下產生運動。設球體與平面間的摩擦力及空氣阻力忽略不計。將外力f(t)看作是系統(tǒng)的激勵，球體運動速度看作是系統(tǒng)的響應。根據牛頓第二定律，有

圖4-15力學系統(tǒng)

2）即時系統(tǒng)與動態(tài)系統(tǒng)如果系統(tǒng)的輸出信號只決定于同一時刻的激勵信號而與其過去的工作狀態(tài)(歷史)無關，則稱該系統(tǒng)為即時系統(tǒng)（或無記憶系統(tǒng)）。例如，只有電阻元件組成的電路系統(tǒng)就是即時系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的輸出信號不僅決定于同一時刻的激勵信號，而且還與其過去的工作狀態(tài)（歷史）有關，則稱該系統(tǒng)為動態(tài)系統(tǒng)（或記憶系統(tǒng)）。即時系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)

3）線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)。具有疊加性和齊次性的系統(tǒng)稱為線性系統(tǒng)。所謂疊加性是指當幾個激勵信號同時作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)響應等于每個激勵信號單獨作用于該系統(tǒng)所產生的響應之和。

4）時變系統(tǒng)與時不變系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的參數不隨時間而變化，則稱該系統(tǒng)為時不變系統(tǒng)（或非時變系統(tǒng)）；如果系統(tǒng)的參數隨時間改變，則稱該系統(tǒng)為時變系統(tǒng)（或參變系統(tǒng)）。

4.3語音信號處理

語音信號處理是研究用數字信號處理技術對語音信號進行處理的一門學科，是在多門學科基礎上發(fā)展起來的綜合性技術。它涉及到數字信號處理、模式識別、語言學。生理學、心理學以及認知科學和人工智能等許多學科領域。4.3.1概述

語音具有兩重屬性：一方面語音具有表意功能；另一方面語音畢竟是一種聲音，它是由人的頭腦中產生的一組神經信號去控制發(fā)音器官，變成空氣的振動信號然后由空氣傳遞到人的耳朵或受話器中的信號。

語音信號4.3.2語言信號處理的基本內容

語言信號處理的基本內容主要包括語音信號處理基礎、語音信號分析、語音編碼、語音合成、語音識別和說話人識別等圖4-18語音處理基本內容

1）語音信號處理基礎。語音信號是攜帶語音信號的語音聲波，經過聲電轉換就得到語音的電信號，如果經過聲光轉換就能得到語音的光信號。

了解語音信號的一些基本特性，應該知道語音是如何由一些最基本的單位組成的;人類的發(fā)聲器官是如何產生聲音的，漢語語音有哪些特性，建立一個語音產生模型，以便于進一步地學習和研究語音信號處理的方法；了解人類聽覺的生理結構與特征。

漢語聲調典型曲線圖

2）語音信號分析。語音信號分析是進行語音信號處理的前提。根據所分析的參數不同，語音信號分析可以分為時域、頻域和倒譜域等方法。時域分析具有簡單、運算量小、物理意義明確等優(yōu)點，但更為有效的分析多是圍繞頻域進行的，因為語音中的最重要的感知特性反映在其功率譜中，而相位變化只起著很小的作用。語音信號的時域和頻域波形圖語音信號的數字模型

3）語音編碼。語音編碼是語音數字處理最重要的一種應用。語音編碼的目的是用盡可能低的比特率來獲得盡可能高的合成語音質量。實現語音編碼（特別是中低速率語言編碼）的設備通常稱為聲碼器。雖然光纖通信和微波通信等系統(tǒng)可以提供很寬的頻帶，但在很多情況下仍然需要壓縮語音編碼速率以節(jié)省頻帶。

4)語音合成。語音合成的目的就是讓計算機說話。最簡單的語音合成應當是語音響應系統(tǒng)。其實現技術非常簡單，在計算機內建立一個語音庫，將可能用到的單字、詞組或一些句子的聲音編碼后存入計算機，當鍵入所要的字、詞組或句子代碼時，就能調出對應的數碼信號，并轉換成聲音。

5）語音識別。語音識別的作用是將語音轉換成等價的書面信息，也就是讓計算機聽懂人說話。日常生活中我們常見的一個例子，打電話者，通過電話機將自己的語音信號傳給語音處理電路，語音處理電路則根據獲取的語音信號，判別出說話人的內容，將聲音傳送給電話連接線路的另一方。語音識別語音“你好?”語音信號語音識別的簡單應用

目前語音識別已經成為語音數字處理研究領域中的重點和難點技術。語音識別技術可以有許多分類方法，如根據語音識別對象可以分為孤立詞識別、連續(xù)語音識別等；根據詞匯量可以分為小詞匯表（100個詞匯以下）、中詞匯表（100~500個詞）、大詞匯表（500詞以上）語音識別等；

語音識別系統(tǒng)模型

6）說話人識別。說話人識別的作用是根據語音辨別說話人，廣義的語音識別也包括說話人識別。

4.4數字圖像處理

數字圖像（DigitalImageProcessing,DIP）又稱為計算機圖像處理，是指將圖像信號轉換成數字信號并利用計算機對其進行處理的過程。數字圖像處理最早出現于20世紀50年代，當時的計算機已經發(fā)展到一定水平，人們開始利用計算機來處理圖形和圖像信息。數字圖像處理作為一門學科大約形成于20世紀60年代初期。

徘徊者7號登陸前拍攝的圖片。隨后他們又對探測飛船發(fā)回的近十萬張照片進行更為復雜的圖像處理，獲得月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，取得非凡的成果，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅實的基礎。

徘徊者登陸圖片

數字圖像處理取得的另一個巨大成就就是在醫(yī)學上獲得的成果。1975年EMI公司又成功研制出全身用的ＣＴ裝置，獲得人體各個部位鮮明清晰地斷層圖像，如圖4-25所示。1979年，這項無損傷診斷技術獲得了諾貝爾獎，表明它對人類做出了劃時代的貢獻。

胸部X射線

4.4.1數字圖像處理的基本內容圖像的采集（通過采集設備如數碼相機、掃描儀等將圖像數字化）；儲存；數字圖像處理（如圖像變換、編碼、圖像增強、去噪等）；然后再次進行儲存等幾個步驟。

圖像處理的過程

1）圖像變換。由于圖像陣列很大，直接在空間域中進行處理