《信号的调理与记录》课件

信号的调理与记录信号调理是指对原始信号进行处理，使其符合后续处理的要求。记录是指将信号保存下来，以便后续分析和研究。课程概述课程目标了解信号的基本概念和分类，掌握信号的特性和基本变换。课程内容涵盖信号的调理、记录、采样和分析等方面，并介绍相关应用。学习方法理论讲解、案例分析和实验操作相结合，培养学生解决实际问题的能力。信号的定义变化的信息载体信号是信息的载体，反映了事物随时间或空间的变化。物理量信号通常用物理量来表示，例如电压、电流、声音、光波等。传递信息信号可以通过各种媒介进行传递，例如电线、无线电波、光纤等。信号的分类11.连续信号与离散信号连续信号是时间连续变化的信号。离散信号是时间离散变化的信号，例如，数字信号。22.单变量信号与多变量信号单变量信号只有一个变量，例如，温度信号。多变量信号有多个变量，例如，三维空间坐标信号。33.确定性信号与随机信号确定性信号的未来值可以完全预测。随机信号的未来值无法完全预测。44.周期信号与非周期信号周期信号在一定时间内重复出现。非周期信号不会重复出现。连续信号变化连续信号随时间连续变化，没有间断点。信号值在任何时刻都存在。模拟信号音频信号、视频信号、温度、压力等现实世界中的信号大多属于连续信号。离散信号离散数据点离散信号由一系列独立数据点组成，而不是连续函数。时间间隔采样这些数据点在特定时间间隔内采集，代表连续信号的近似值。单变量信号1一个变量单变量信号仅用一个变量来表示，例如时间或空间。2简单分析单变量信号相对易于分析和理解，因为它们只描述一个量。3常见类型温度、压力、速度等都是单变量信号的常见例子。多变量信号定义多变量信号指的是由多个独立变量组成的信号，它们相互影响并共同反映系统状态。例子例如，描述飞机飞行状态的信号，可能包括速度、高度、方向等多个变量。应用多变量信号广泛应用于控制系统、数据分析和信号处理等领域，用于更全面地理解系统行为。确定性信号已知信号确定性信号是指其未来行为可由数学公式或关系式完全描述的信号。确定性信号的特征是它的行为是可预测的。可预测性例如，正弦波信号可以用一个简单的公式表示，因此其在任何时间点的值都可以精确地计算出来。例子确定性信号在现实生活中有很多例子，例如电源电压、音频信号、钟表指针的运动等等。随机信号不确定性随机信号的未来值无法预测，其变化是不可预测的，无法用数学公式精确描述。统计特性随机信号可以用统计方法来描述，例如，平均值、方差和概率分布。噪声噪声是一种常见的随机信号，在信号传输和测量过程中不可避免地存在。信号的特性幅度信号的幅度表示信号强度的变化范围，通常以电压、电流或功率表示。频率信号的频率是指信号每秒钟变化的次数，通常以赫兹(Hz)表示。周期信号的周期是指信号完成一个完整循环所需的时间，是频率的倒数。相位信号的相位是指信号相对于参考点的起始位置，用于描述信号的时序关系。幅度信号幅度是指信号的强度或大小，是信号最重要的特征之一。例如，声音信号的幅度决定了声音的响度，而光信号的幅度则决定了光线的亮度。频率频率是指信号在单位时间内完成周期性变化的次数。通常以赫兹（Hz）作为单位，表示每秒完成的周期数。频率反映了信号变化的快慢。频率越高，信号变化越快。周期周期是信号重复出现的规律性特征。周期信号在一段时间内重复自身形状，形成循环。周期可以用时间或其他测量单位表示。T周期信号完成一个完整循环所需的时间f频率信号在一个时间单位内重复的次数相位相位是指信号在一个周期内相对于参考点的偏移量，它描述了信号波形的起始位置。相位通常以角度或弧度表示，以度数或弧度为单位。相位是描述信号的重要参数，它影响着信号的形状、频率、周期和时间延迟等特性。信号的基本变换1平移信号沿时间轴移动2伸缩信号沿时间轴压缩或拉伸3反射信号关于时间轴对称这些变换可以用来改变信号的形状和位置，以便更好地分析和处理信号。平移1定义平移是指信号沿时间轴或频率轴移动，不改变信号的形状。2时间平移将信号在时间轴上移动，相当于延迟或提前。3频率平移将信号在频率轴上移动，改变信号的中心频率。伸缩横向伸缩信号的横向伸缩改变信号的持续时间，通常用时间压缩或扩展来描述。纵向伸缩信号的纵向伸缩调整信号的幅度，可通过放大或衰减来实现。伸缩作用伸缩是信号处理中的基本操作，用于调整信号的形状和特征，使其更适合后续处理或分析。反射信号反射当信号在传输路径中遇到阻抗不匹配时，会发生反射现象。光波反射光波在不同介质的交界面发生反射，形成反射光。声波反射声波在遇到障碍物时发生反射，形成回声。调理电路信号处理电路用于对信号进行处理，使信号符合后续处理的要求。放大放大信号的幅度，提高信号强度。滤波去除信号中的干扰和噪声。整形调整信号的波形，使其符合特定要求。滤波器滤波器功能滤波器可以滤除信号中的噪声，提取特定频率范围的信号。它们可以用于各种应用，例如音频系统、通信系统和医学设备。滤波器类型常见的滤波器类型包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。它们根据频率特性进行分类，例如仅允许特定频率范围通过或阻塞特定频率范围。放大器信号增强放大器能够提高信号强度，使信号更容易被后续的电路处理。类型多样放大器有多种类型，如运算放大器、差分放大器、功率放大器等，不同的类型应用于不同的场合。应用广泛放大器广泛应用于各种电子设备，包括音频设备、通信设备、测量仪器等。积分器定义积分器是一种模拟电路，它可以将输入信号的积分值作为输出信号。它通常用作模拟电路中的低通滤波器。功能积分器可以将输入信号的面积作为输出信号。例如，如果输入信号是三角波，则积分器的输出信号将是抛物线。微分器11.信号变化率微分器用于测量输入信号的变化率。输出信号的幅度与输入信号的变化速率成正比。22.尖峰检测微分器可以用来检测信号中的尖峰或边缘，因为这些点是信号变化最快的点。33.噪声抑制微分器可以用来抑制高频噪声，因为高频噪声的变化率比信号本身的变化率要快。信号采样模拟信号连续变化的信号，例如声音、电压等。采样过程将模拟信号在时间上离散化，获取一系列离散数据点。采样频率每秒钟采集样本的次数，决定了采样信号的精度。采样定理采样频率必须大于信号中最高频率的2倍，才能保证不丢失信息。采样定理采样定理阐述了将连续信号转换为离散信号时的重要原则，它指出采样频率必须至少是信号最高频率的两倍才能准确重建原始信号。2Nyquist采样频率1最高信号频率如果采样频率低于此临界值，将会发生混叠现象，导致重建信号失真。A/D转换1采样将连续信号转换为离散信号，以一定时间间隔对信号进行采样。2量化将采样后的离散信号量化为有限个离散值，将连续幅度值转换为离散数值。3编码将量化后的离散数值转换为二进制编码，以便计算机进行处理和存储。D/A转换1数字信号数字信号由一系列离散值表示。2转换数字信号转换为模拟信号。3模拟信号模拟信号是连续的，可以在任何时刻取值。D/A转换器将数字信号转换为模拟信号。它通过一系列步骤将数字信号转换为模拟信号。量化误差量化误差模拟信号转换为数字信号过程中产生的误差量化级模拟信号被量化后的离散值量化噪声量化误差引起的随机噪声量化误差是由于模拟信号的连续值被量化成离散值而产生的，它是数字信号处理中不可避免的误差。信号记录数字化存储将模拟信号转换为数字信号，以便于存储和处理。数字信号可以存储在计算机硬盘、内存或其他存储设备中。信号记录设备包括示波器、数据采集卡、录音机等。信号记录可以用于分析、处理和存储信号，以便于日后访问和分析。数字化存储闪存存储闪存芯片是现代信号记录的主要存储介质之一，提供高速度、高容量和耐用性。硬盘存储传统硬盘存储技术仍然是大型信号记录系统常用的存储介质，其优点在于容量大、价格低廉。云存储云存储服务为信号数据提供了一个可靠、可扩展且安全的备份和存储方案，便于远程访问和协作。信号的分析时域分析观察信号随时间变化的规律。频域分析分析信号包含的频率成分。统计分析计算信号的平均值、方差等统计指标。时域分析时域分析是研究信号随时间变化规律的方法。它通过观察信号在不同时间点的幅度变化来理解信号的特征。1信号波形观察信号的波形2幅值分析信号在不同时间点的幅值3持续时间测量信号的持续时间4上升时间测量信号从低电平上升到高电平的时间5下降时间测量信号从高电平下降到低电平的时间频域分析1傅里叶变换