信号分析与处理绪论精选

1、信号处理(xn ho ch l)技术上海大学机自学院自动化系 昝鹏Tel: 56331269延长(ynchng)路149号电机楼 212共六十五页 关于“数字(shz)信号处理” 概论(giln)共六十五页（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(lln) 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(guny)数字信号处理共六十五页什么(shn me)是DSP?Digital Signal Processing (DSP) 一门新的学科(xuk)Digital Signal Proce

2、ssor (DSP) 数字信号处理器: DSPs一门正在蓬勃发展的高新 技术学科共六十五页信号(xnho)？数字信号？数字(shz)信号处理？共六十五页 信号是信息（Information)的载体 ，即信息包含在信号中。 信号，特别(tbi)是一维信号，多是时间 的函数，即（一） 信号(xnho)连续时间信号，又称模拟信号（Analog Signal)共六十五页常见信号： 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(shuwi)，潮位；人体生理信号 等等共六十五页常见(chn jin)人体生理信号 （生物医学信号）ECG(心电)EEG(脑电)E

3、OG(眼电)EMG(肌电)PCG(心音(xnyn)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段形态共六十五页不同(b tn)心脏病人的心电图共六十五页脑电信号胎儿(ti r)心电信号共六十五页脑电（EEG）的节律(jil)（即主要频率）：节律(jil)：13Hz 的成分。（深睡）（浅睡）（清醒）（受刺激或思考）共六十五页火车鸣笛(mn d)信号共六十五页二维信号(xnho)：视频信号： 共六十五页作用：将非电信号转化为电信号。 转化后的信号是连续(linx)时域模拟 （Analog)信号, 可以用 表示。 模拟信号产生、处理和传

4、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，不灵活非电信号转化(zhunhu)为电信号转换-传感器共六十五页（二）数字信号 : 所有整数 : 抽样间隔 ， ：抽样频率(Sampling Frequency)归一化：共六十五页流程图 sensors放大器A/DDSP装置信号源D/A共六十五页例: A/D 8bit 5V00000000 0V00000001 20mV 00000010 40mV29mV 31mV共六十五页 A/D芯片已高度集成化，将这些芯片配以一些必要的外围(wiwi)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（

5、如PC）的扩展槽中，配以相应的软件即可实现信号的抽样。A/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。共六十五页以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(tq)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

6、函数, 功率谱)的提取(tq), 以达到认识信号, 利用信号的目的。（三） 数字(shz)信号处理共六十五页任务：从信号(xnho)中提取出所需要的信息，并将其用于 实际 。1. 数字信号处理(xn ho ch l)的任务例：心电监护仪：内含CPU共六十五页 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(zhungti)（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

7、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集(cij)、显 示和存储； 共六十五页 （2）去除噪声： 在信号采集时，身体的任一微小运动(yndng)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(bngti)失真的心电信号共六十五页（3）波形(b xn)检测（参数提取）： R波检测：要求99； P波检测，T波检测：幅度(fd)特别低，90； P-Q间期测量；S-T段形态检测； QRS宽度检测共六十

8、五页 （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，又属于哪一类异常。这一工作即是信号处理的应用。 以上(yshng)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。共六十五页 2. 数字信号处理(xn ho ch l)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(suy)灵活性强 （6）. 实时性(Real-tim

9、e)强共六十五页数学: 微积分, 线性代数, 概率, 随机过程(guchng), 数论, 近世代数现代通信原理(yunl)、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信号与系统, 计算机 3. 数字信号处理的理论：基础发展共六十五页1. 信号抽样与采集理论(lln);2. 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)共六十五页 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

10、征估计(自相关函数,功率谱计); 8. 实现(软件(run jin)-MATLAB; 硬件- DSP); 9. 应用共六十五页 （教学(jio xu), 科研, 开发的前期）DSP软件包MATLAB Signal Processing Tool Box4. 数字信号处理(xn ho ch l)的实现软件实现:硬件实现:CPU, MCU, DSP共六十五页TI产品(chnpn)系列共六十五页 DSP的特点: 时钟(shzhng)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(xn ho ch l)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，

11、如： 共六十五页5、数字信号处理(xn ho ch l)的应用共六十五页DSP的应用(yngyng)耳背(r bi)式耳道式耳内式完全耳内式心电 Holter共六十五页5. 关于数字(shz)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； （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(guchng)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共六十五页教材(jioci)数字(shz)信

12、号处理理论、算法与实现 （第二版） 清华大学出版社 胡广书共六十五页 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. Introduction to Digital Signal Processing. 1988参考书共六十五页有关(yugun)期刊I EEE Trans. on Signal Pro

13、cessing;I EEE Trans. on Circuits and Systems;I EEE Trans. on Biomedical Engineering;Proc. of I EEE;Signal Processing;信号处理(xn ho ch l)共六十五页考核(koh)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(jsh)的相关专题以PPT形式介绍。 报告情况（报告时间15分钟，PPT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

14、）。共六十五页主要(zhyo)内容信号采集技术与现代信号处理方法1模拟输入通道相关技术（放大、A/D） 2 接口及总线技术(采集卡、232、USB、PCI) 3虚拟仪器采集系统 （Labview、CVI） 4信号处理系统（DSP，FPGA） 5报告、小论文(lnwn)参考范围共六十五页无线数据传输技术（BlueTooth、Zigbee）6信号预处理方法（滤波，盲源分离，ICA）7信号处理方法（小波、NN、HHT、 SVM）8智能控制方法概述（模糊、自适应、最优）9自己参与的相关课题10共六十五页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(l

15、iling)、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(cij)技术2、采集系统的基本组成 共六十五页 ADCDACcntr/timerdigitalDAQ BoardAnalog I/ODigital I/OClock I/OOnOff1-0 3、信号采集(cij)的功能 共六十五页 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(ync)，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

16、为：集中采集式分散采集式 4、信号采集(cij)的分类 共六十五页集中(jzhng)采集式共六十五页(a) 分布式单机数据采集(cij)结构 分散(fnsn)采集式共六十五页(b) 网络式数据(shj)采集结构通信接口上位机数据采集站1数据采集站2数据采集站3数据采集站N模拟信号和数字信号共六十五页 5、传感器的选用(xunyng) 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： 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； 其次是要了解现有(xin yu)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

17、中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。共六十五页（1） 对传感器的主要技术要求 被测量转换(zhunhun)为电量，转换(zhunhun)范围与被测量实际变化范围相一致； 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； 可靠性、可维护性；共六十五页（2） 传感器的选择 对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC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，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素

18、进行取舍，尽可能选择性价比高的传感器。 大信号输出传感器，专门与A/D相配套； 数字式传感器（频率量输出或开关量输出） 集成传感器（将传感器与信号调理电路做成一体） 光纤传感器（信号拾取(shq)、变换、传输都是通过光导纤维实现）共六十五页传感器前置放大低通陷波高通至采集电路前置放大(fngd)常用放大(fngd)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：由程序控制增益隔离放大器等：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(tio l) 共六十五页时域信号(xnho)频域信号(xnho)0.985ttf 16-bit ADC3-b

19、it ADCAmplitudecode widthTime02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000 7、A/D转换及接口0.985t直流信号0.985t共六十五页A/D 采样率Nyquist原理(yunl) 采样率2倍的最高频率Adequately sampled共六十五页应用软件接口软件LabVIEWLabWindows/CVIComponent WorksVisual BasicC/C+.PCI-MIO-16E-1DAQ 卡NI-DAQ 8、软件平台共六十五页1、信号(xnho)分类二

20、、现代(xindi)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、压缩识别等，达到提取有用信息，便于应用的目的。（a）一维信号、二维信号、矢量信号（b）周期信号和非周期信号（c）确定性信号和随机信号（d）能量信号和功率信号（e）连续信号、离散信号（f）模拟信号和数字信号共六十五页滤波概念： 在形形色色的信号中提取所需要的信号,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(xnx)在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

21、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。2、滤波(lb)方法常用方法： 维纳滤波、卡尔曼滤波、同态滤波、自适应滤波共六十五页概念：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，应用领域十分广泛。在语音(yyn)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。典型：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，多媒体物理学，生物医学，机器人等。3、盲源分离(fnl)方法共六十五页概念：对各种信号进行

22、频谱分析,或将时间域信号转换为频率域信号进行处理。应用：例如通过对环境噪声的谱分析,可以确定主要频率成分,了解噪声的成因,找出降低噪声的对策； 对振动信号的谱分析,可了解振动物体的特性,为设计或故障诊断提供资料(zlio)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极大多数能量集中在直流和低频部分,就可把频谱中的大部分成分滤去,从而压缩信号频带。4、谱分析与FFT方法(fngf)共六十五页概念：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；方法：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密度（或者自相关函数），譬如维纳滤波。 线性

23、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。 从宽带(kun di)噪声中检测窄带信号。 5、功率(gngl)谱估计共六十五页概念：选择一个模型，用已经观察到的样本数据(shj)或者自相关函数的数据(shj)（已知或者可以估计）来确定模型参数；方法：AR，MA，ARMA，CAPON，PRONY各种参数模型方法；6、信号(xnho)建模方法共六十五页 概念：在一定条件下把原始信号所含信息数据进行压缩,如语音、声音、图像信号中含有许多冗余信息,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,使压缩后信号带宽(di kun)减小,提高传输效率。 作数据存储时可降低所需存储介质的容量。例如直径为120的光盘,本来存储的只是一套70分钟的立体声音乐,现在可将70分钟电视信号和音乐信号都压缩到120的光盘上,即光盘。7、信号(xnho)压缩技术共六十五页概念： 在原始信号所代表的众多的信息中提取出最能代表事物本质的信息。方法：时域：均值、过零点数、方差、时序模型AR、MA等频域：