信号分析与处理绪论

1、信号处理技术 上海大学机自学院自动化系上海大学机自学院自动化系 昝鹏昝鹏 Tel: 56331269 延长路149号电机楼 212 关于“数字信号处理” 概论 （一）信号 （二）数字信号 （三）数字信号处理 1 数字信号处理的任务 2 数字信号处理的优势 3 数字信号处理的理论 4 数字信号处理的实现 5 数字信号处理的应用 6 关于数字信号处理的学习 关于数字信号处理 Digital Signal Processing (DSP) 一门新的学科 Digital Signal Processor (DSP) 数字信号处理器: DSPs 一门正在蓬勃发展的高新 技术学科 信号？ 数字信号？ 数字

2、信号处理？ 信号是信息（Information)的载体 ，即 信息包含在信号中。 信号，特别是一维信号，多是时间 的 函数，即 （一） 信号 t ( )x t 连续时间信号，又 称模拟信号 （Analog Signal) 常见信号： 电压，电流，磁通； 温度，压力， 压强； 光，机械振动； 价格，经济指数，股市指数； 流量，水位，潮位； 人体生理信号 等等 要求：准确检测R波，99 准确检测 P,Q,S,T等波， 90% 准确测量 PQ间期， QRS宽度， S-T段形态 不同心脏病人的心电图 脑电信号 胎儿心电信号 脑电（EEG）的节律（即主要频率）： 节律：13Hz 的成分。 （深睡） （浅

3、睡） （清醒） （受刺激或思考） 02000400060008000100001200014000 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 火车鸣笛信号 二维信号： 视频信号： ( , )f x y ( , ; )f x y t 作用：将非电信号转化为电信号。 转化后的信号是连续时域模拟 （Analog)信号, 可以用 表示。 模拟信号产生、处理和传输所使用 的器件是: R, L, C, OP(运算放大器) 缺点: 体积大, 精度低，不灵活 ( )x t 非电信号转化为电信号转换-传感器 ()( )( ) s s t nT x nTx tx n （

4、二）数字信号 : 所有整数 : 抽样间隔 ， ：抽样频率(Sampling Frequency) n s T1/ ss fT s f 1,1 ss Tf归一化： nZ Z sensors放大器 A/D DSP装置 信号源 D/A ( )x t ( )x t () s x nT () s y nT ( )y t 00000000 0V 00000001 20mV 00000010 40mV 29mV 31mV A/D芯片已高度集成化，将这些芯片配以一 些必要的外围电路可做成不同的A/D板（又称数 据采集板）。将A/D板插入普通计算机（如PC） 的扩展槽中，配以相应的软件即可实现信号的抽 样。A/

5、D芯片有两个主要的参数，一是字长，二 是转换速度。现在市售的A/D芯片的字长有8bit， 10bit，12bit及14bit，字长越长，量化误差越小， 自然，转换的精度就越高。转换速度决定了其 A/D芯片的最大抽样速度，目前市售的A/D芯片 的抽样速度可由几十千赫至几百兆赫。当然，字 长越长，速度越高，其售价也越贵，使用者应视 实际需要选用。 以PC或专用DSP装置为硬件平台, 以数 值分析为基本工具, 发展众多的信号 处理算法，实现信号自身的提取或是 信号有用特征( 幅度, 周期, 持续时 间, 过零点个数, 上升时间, 下降时 间, 自相关函数, 功率谱)的提取, 以 达到认识信号, 利用

6、信号的目的。 （三） 数字信号处理 任务：任务：从信号中提取出所需要的信息，并将其用于 实际 。 1. 1. 数字信号处理的任务数字信号处理的任务 例： 心电监护仪： 内含CPU 用于危重病房（intensive care unit，ICU）的心电 自动监护仪的作用是监护病人的心电状态（同时也包 括其他生理参数，如血压、呼吸等），它应能实时地 显示和存储病人的心电波形，并根据心电图的异常来 自动决定是否给出报警。一个实际的心电监护仪由心 电放大器、A/D 转换器、CPU、显示单元、存储单元、 系统管理软件和心电信号处理软件所组成。 心电处理软件的功能： （1） 在CPU的控制下实现心电信号的采

7、集、显 示和存储； （2）去除噪声： 在信号采集时，身体的任一微小运动都会产生 “基线漂移”，这是一种低频干扰，同时，由于肌电 的存在又产生了高频的肌电噪声，由于空间电磁场的 存在又使心电信号中混有50Hz的工频干扰。这些噪声 不去除，就会影响下一步的信号处理。 带有高频噪声及病态失真的心电信号 （3）波形检测（参数提取）： R波检测：要求99； P波检测，T波检测：幅度特别低，90； P-Q间期测量；S-T段形态检测； QRS宽度检测 （4）病类判别：根据检测出的参数、心脏疾病的 原理和医生的临床经验，建立起各种心律异常的数学 模型并对心电信号做出判别，决定是否异常，如异 常，又属于哪一类异

8、常。这一工作即是信号处理的 应用。 以上内容虽然属于生物医学工程学科的范畴， 但从中可以看出数字信号处理的内容和任务。其他 学科的信号处理过程和该问题类似，即大体上也包 含了去噪、特征检测（或提取）和应用于实际这三 个方面。 2. 2. 数字信号处理的优势数字信号处理的优势: （1）. 精度高 （2）. 可重复性强 （3）. 体积小 （4）. 成本低 （5）. 可编程：所以灵活性强 （6）. 实时性(Real-time)强 数学: 微积分, 线性代数, 概率, 随机 过程, 数论, 近世代数 现代通信原理、现代控制理论 模式识别、最优化、神经网络 系统辨识、 振动测试 生物医学工程 3. 数字

9、信号处理的理论： 基 础 发 展 l1. 信号抽样与采集理论; l2. 信号分析理论: Z变换, 离散傅里叶变换(DFT) Hilbert 变换 离散余弦变换(DCT) 离散小波变换(DWT) 快速算法理论(FFT) 3. 离散系统分析; 4. 离散系统设计(滤波器设计); 5. 随机信号统计分析理论; 6. 信号建模(AR, MA,ARMA) ; 7. 特征估计(自相关函数,功率谱计); 8. 实现(软件-MATLAB; 硬件- DSP); 9. 应用 （教学, 科研, 开发的前期） DSP软件包 MATLAB Signal Processing Tool Box 4. 数字信号处理的实现

10、软件实现: 硬件实现: CPU, MCU, DSP DSP的特点: 时钟快；硬件乘法器（实现连乘连加）； 哈佛结构；较多的寄存器， 等等 数字信号处理中最常用的算法是线性卷 积和 DFT,其特点是大量的“连乘连加”运 算，如： ( )( ) () k y nx k h nk 1 2 0 ( )( ) N jnk N n X kx n e 耳背式耳背式耳道式耳道式耳内式耳内式完全耳内式完全耳内式 心电 Holter 5. 关于数字信号处理的学习 作为一门课程，学好数字信号处理和学好其他课程有 着共同的要求。下面是几点特殊的要求： （1）特别要注意加深概念的理解，不要只停留在死 记数学公式上； （

11、2）通过应用来加深理解和记忆； 特别希望大家在学习的过程中一定要重视利 用MATLAB来完成实际的信号处理任务。 （3）打好基础，循序渐进； （4）尽可能的多看一些国外的教科书及有关文献 l数字信号处理理论、算法与实现 （第二版） 清华大学出版社 胡广书 1 S J. Orfanids. Introduction to Signal Processing. 1996; 清华大学出版社，1999 2 S K Mitra. Digital Signal Processing: A Computer Based Approach . 2001， 清华大学出版社，2001 3 Proakis J.G.

12、 Introduction to Digital Signal Processing. 1988 参考书 有关期刊 I EEE Trans. on Signal Processing; I EEE Trans. on Circuits and Systems; I EEE Trans. on Biomedical Engineering; Proc. of I EEE; Signal Processing; 信号处理 考核 平日成绩+专题报告+小论文 （平日成绩20%，专题报告40%，小论文40%） 专题报告：就某个信号处理技术的相关专题以PPT 形式介绍。 报告情况（报告时间15分钟，PPT

13、的首页要有导师 姓名、自己姓名、学号、邮箱） 小论文： 撰写一篇文章（要求按论文写作要求。有 题目、作者、摘要、关键字、参考文献及外文摘 要）。 主要内容 报告、小论文参考范围 1、信号采集的概念 也称为数据采集（Data Acquisition ）， 是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行 采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进 行存储、处理、显示或打印，相应的系统称为 信号采集系统。 传感器 模拟信号 调理 数据采集 电路 微机系统 一、信号采集技术一、信号采集技术 2、采集系统的基本组成 ADC DAC cntr/ timer digital DAQ Board Analog I/O

14、 Digital I/O Clock I/O OnOff 1-1- 0 0 3、信号采集的功能 实际的信号采集系统往往需要同时测量多 种物理量或同一种物理量的多个测量点。因 此，多路模拟输人通道更具有普遍性。按照 系统中数据采集电路是各路共用一个还是每 路各用一个，多路模拟输人通道可分为： l集中采集式 l分散采集式 4、信号采集的分类 集中采集式集中采集式 (a) (a) 分布式单机数据采集结构分布式单机数据采集结构 分散采集式分散采集式 (b) (b) 网络式数据采集结构网络式数据采集结构 通信接口通信接口 上位机上位机 数据数据 采集站采集站1 1 数据数据 采集站采集站2 2 数据数据

15、 采集站采集站3 3 数据数据 采集站采集站N N 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 5、传感器的选用 传感器是信号输入通道的第一个环节，也是决定整传感器是信号输入通道的第一个环节，也是决定整 个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感器：个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感器： 首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器 系统对传感器的技术要求；系统对传感器的技术要求； 其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传 感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选合感器，把同类产品的指标和价

16、格进行对比，从中挑选合 乎要求的性能价格比最高的传感器。乎要求的性能价格比最高的传感器。 （1 1） 对传感器的主要技术要求对传感器的主要技术要求 被测量转换为电量，转换范围与被测量实际变化范围被测量转换为电量，转换范围与被测量实际变化范围 相一致；相一致； 转换精度与转换速度；转换精度与转换速度； 满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐 高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻 、不耗电、耗电少；、不耗电、耗电少； 可靠性、可维护性；可靠性、可维护性； （2 2） 传感器的选择传

17、感器的选择 对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如 测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半 导体导体PNPN结、结、ICIC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在 都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应 侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽 可能选择性价比高的传感器。可能选择性价比高的传感器。 l 大信号输出传感器，专

18、门与大信号输出传感器，专门与A/DA/D相配套；相配套； l 数字式传感器（频率量输出或开关量输出）数字式传感器（频率量输出或开关量输出） l 集成传感器（将传感器与信号调理电路做成一体）集成传感器（将传感器与信号调理电路做成一体） l 光纤传感器（信号拾取、变换、传输都是通过光导纤光纤传感器（信号拾取、变换、传输都是通过光导纤 维实现）维实现） 传感传感 器器 前置放前置放 大大 低通低通陷波陷波高通高通 至采集电至采集电 路路 前置放大常用放大器：前置放大常用放大器： 仪用放大器：仪用放大器：可依据非线性度、温漂、建立时间、 失调、共模抑制比等选用 程控增益放大器：程控增益放大器：由程序控

19、制增益 隔离放大器等：隔离放大器等：用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输 过程 6、模拟信号调理 时域信号时域信号频域信号频域信号 0.985 t tf 16-bit ADC 3-bit ADC Amplitude code width Time 020100120140406080 10.00 9.75 7.50 6.25 5.00 3.75 2.50 1.25 0 111 110 100 011 010 001 000 7、A/D转换及接口 0.985 t 直流信号直流信号 0.985 t NyquistNyquist原理原理 采样率采样率22倍的最高频率倍的最高频率 Adequately

20、 sampled 应用软件应用软件 接口软件接口软件 LabVIEW LabWindows/CVI Component Works Visual Basic C/C+. PCI-MIO-16E-1 DAQ 卡卡 NI-DAQ 8、软件平 台 1 1、信号分类、信号分类 二、现代信号处理二、现代信号处理 凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所凡是利用数字计算机或专用数字硬件、对数字信号所 进行的一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算。进行的一切变换或按预定规则所进行的一切加工处理运算。 例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析、估计、压缩例如：滤波、检测、参数提取、频谱分析、估计、压缩

21、 识别等，达到提取有用信息，便于应用的目的。识别等，达到提取有用信息，便于应用的目的。 （a a）一维信号、二维信号、矢量信号）一维信号、二维信号、矢量信号 （b b）周期信号和非周期信号）周期信号和非周期信号 （c c）确定性信号和随机信号）确定性信号和随机信号 （d d）能量信号和功率信号）能量信号和功率信号 （e e）连续信号、离散信号）连续信号、离散信号 （f f）模拟信号和数字信号）模拟信号和数字信号 滤波概念： 在形形色色的信号中提取所需要的信号在形形色色的信号中提取所需要的信号, ,抑制不需要抑制不需要 的信号或干扰信号，滤除不需要的背景噪声，消除信息在的信号或干扰信号，滤除不需

22、要的背景噪声，消除信息在 传输过程中由于信道不理想所引起的失真。传输过程中由于信道不理想所引起的失真。 滤波应用： 广泛地应用于数字通信，雷达，遥感，声纳，语音合广泛地应用于数字通信，雷达，遥感，声纳，语音合 成，图象处理，测量与控制，高清晰度电视，多媒体物理成，图象处理，测量与控制，高清晰度电视，多媒体物理 学，生物医学，机器人等。学，生物医学，机器人等。 2、滤波方法 常用方法： 维纳滤波、卡尔曼滤波、同态滤波、自适应滤波维纳滤波、卡尔曼滤波、同态滤波、自适应滤波 概念：研究在未知系统的传递函数、源信号的混合系数研究在未知系统的传递函数、源信号的混合系数 及其概率分布的情况下，从混合信号中

23、分离出独立源信号及其概率分布的情况下，从混合信号中分离出独立源信号 的技术，他是信号处理中一种很有前途的新兴技术，应用的技术，他是信号处理中一种很有前途的新兴技术，应用 领域十分广泛。在语音处理、生物电信号处理、图像处理、领域十分广泛。在语音处理、生物电信号处理、图像处理、 金融数据分析以及移动通信等领域得到了广泛的应用。金融数据分析以及移动通信等领域得到了广泛的应用。 典型：广泛地应用于数字通信，雷达，遥感，声纳，语广泛地应用于数字通信，雷达，遥感，声纳，语 音合成，图象处理，测量与控制，高清晰度电视，多媒体音合成，图象处理，测量与控制，高清晰度电视，多媒体 物理学，生物医学，机器人等。物理

24、学，生物医学，机器人等。 3、盲源分离方法 概念：对各种信号进行频谱分析对各种信号进行频谱分析, ,或将时间域信号转换为或将时间域信号转换为 频率域信号进行处理。频率域信号进行处理。 应用：例如通过对环境噪声的谱分析例如通过对环境噪声的谱分析, ,可以确定主要频率可以确定主要频率 成分成分, ,了解噪声的成因了解噪声的成因, ,找出降低噪声的对策；找出降低噪声的对策； 对振动信号的谱分析对振动信号的谱分析, ,可了解振动物体的特性可了解振动物体的特性, ,为设计为设计 或故障诊断提供资料和数据；或故障诊断提供资料和数据； 对于高保真音乐和电视这样的宽带信号转到频率域后对于高保真音乐和电视这样的

25、宽带信号转到频率域后 极大多数能量集中在直流和低频部分极大多数能量集中在直流和低频部分, ,就可把频谱中的大就可把频谱中的大 部分成分滤去部分成分滤去, ,从而压缩信号频带。从而压缩信号频带。 4、谱分析与FFT方法 概念：根据信号有限个样本来估计信号的自相关函数或者根据信号有限个样本来估计信号的自相关函数或者 功率谱密度；功率谱密度； 方法：无偏估计；最小方差估计；一致估计；无偏估计；最小方差估计；一致估计； 应用：信号处理中许多场合，要求预先知道信号的功率谱信号处理中许多场合，要求预先知道信号的功率谱 密度（或者自相关函数），譬如维纳滤波。密度（或者自相关函数），譬如维纳滤波。 线性系统的

26、参数估计。希望了解系统的频幅特性，可线性系统的参数估计。希望了解系统的频幅特性，可 以用白噪声通过该系统，从输出中估计功率谱密度。以用白噪声通过该系统，从输出中估计功率谱密度。 从宽带噪声中检测窄带信号。从宽带噪声中检测窄带信号。 5、功率谱估计 概念：选择一个模型，用已经观察到的样本数据或者选择一个模型，用已经观察到的样本数据或者 自相关函数的数据（已知或者可以估计）来确定模型自相关函数的数据（已知或者可以估计）来确定模型 参数；参数； 方法：ARAR，MAMA，ARMAARMA，CAPONCAPON，PRONYPRONY各种参数模型方各种参数模型方 法；法； 6、信号建模方法 概念：在一定

27、条件下把原始信号所含信息数据进行压在一定条件下把原始信号所含信息数据进行压 缩缩, ,如语音、声音、图像信号中含有许多冗余信息如语音、声音、图像信号中含有许多冗余信息, ,通过数通过数 字信号压缩算法最大限度地去除这些信号中的冗余度字信号压缩算法最大限度地去除这些信号中的冗余度, ,使使 压缩后信号带宽减小压缩后信号带宽减小, ,提高传输效率。提高传输效率。 作数据存储时可降低所需存储介质的容量。例如直径作数据存储时可降低所需存储介质的容量。例如直径 为为120120的光盘的光盘, ,本来存储的只是一套本来存储的只是一套7070分钟的分钟的 立体声音乐立体声音乐, ,现在可将现在可将7070分钟电视信号和音乐信号都