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现代工程信号处理

现代工程信号处理. 工程硕士班 2008 春季 张旭东. 课程的作用. 信息与通信系统的主要任务是信息的采集、处理、传输和存储。 在相当多的情况下，信息是以信号作为载体进行传输和处理，因此，信号处理是构成信息系统的基本单元，以各种形式作用于信息系统的设计、管理和运行中。 信号处理是信息和通信工程高级技术人员需要了解的基本知识和需要掌握的基本技能. 课程主要内容. 第一部分：（确定性）信号处理基础 第二部分：随机信号处理 第三部分：信源表示与编码（选择） 第四部分：信号处理系统实现概述. 什么是信号处理. 信号处理的目的总是从我们测量到的

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现代工程信号处理

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Presentation Transcript

  1. 现代工程信号处理 工程硕士班2008春季 张旭东

  2. 课程的作用 • 信息与通信系统的主要任务是信息的采集、处理、传输和存储。 • 在相当多的情况下，信息是以信号作为载体进行传输和处理，因此，信号处理是构成信息系统的基本单元，以各种形式作用于信息系统的设计、管理和运行中。 • 信号处理是信息和通信工程高级技术人员需要了解的基本知识和需要掌握的基本技能

  3. 课程主要内容 • 第一部分：（确定性）信号处理基础 • 第二部分：随机信号处理 • 第三部分：信源表示与编码（选择） • 第四部分：信号处理系统实现概述

  4. 什么是信号处理 信号处理的目的总是从我们测量到的 信号记录中提取出对我们有用的信息 模拟信号处理 数字信号处理

  5. 信号处理的主要功能 • 信号的表示和分析 • 信号的分解：频谱分析，功率谱分析 • 信号的特征提取：用于分类、识别 • 信号的有效表示：紧致表示，信源编码 • 信号的加工和处理 • 信号通过系统，增强有用信息衰减噪声和干扰的滤波功能 • 噪声中信号的检测和参数估计

  6. 数字信号处理的发展 • 计算机的诞生，为信号的数字处理提供了实现的可能. 20世纪初至50年代有许多前期的研究工作,从采样定理的建立到声码器的数字仿真实验等,奠定了理论基础. • 1965年FFT的提出，是DSP发展的里程碑 (但其源头可追溯到高斯时代) • 离散变换的进展：65年FFT，70年代余弦变换，80年代中后期小波变换 • 滤波器设计技术：IIR、FIR数字滤波器，多采样处理和滤波器组理论，专用滤波器设计,小波滤波 • 统计和自适应信号处理，阵列处理等, 从统计学引入信号处理发展的另一条主线--现代信号处理 • 器件和系统的发展对数字信号处理有积极推动

  7. 第一部分：信号处理基础 • 信号与系统的基本表示 • 信号的频谱分析 • 离散系统设计与实现 • 多采样率信号处理

  8. 第1章：信号与系统的基本表示 • 1.1 信号的数字处理 一个处理连续时间信号的离散时间系统 C/D:Continuous/Discrete Converter

  9. 连续时间信号的数字处理系统 如果前端和（或）后端构成一个独立子系统， 这个子系统称为数据采集系统 该框图是一个完整的处理连续信号的数字信号处理系统， 实际系统可能是这个完整系统的一部分。

  10. 第1个要注意的参数T • 由连续信号获得离散信号时，采样周期T（或采样频率F）是必须有记录的参数，由T结合DSP结果，一般才能给出正确的物理解释 • 例：

  11. 第1个要注意的参数T（续） • 可以看到，两个频率相差很大的连续信号，用不同频率采样后，得到完全相同的离散信号。

  12. 第1个要注意的参数T（续） • 将会看到，用DSP进行信号分析时，其频率是归一化的，要得到对连续信号的正确物理解释，需要参数T。 • 分析例子可以看到，连续角频率和离散角频率的关系 连续信号的离散处理过程，均将有限频率范围映射到归一化的 频率范围，映射尺度就是采样参数（T或F）

  13. 数字信号处理的优缺点（优点） • 不敏感于元器件的外部容限参数，例如温度、老化等 • 容易进行比较准确的精度控制 • 多系统共享单处理器（分时处理） • 容易自适应地、实时地控制和改变系统参数 • 容易实现模拟系统很困难、甚至不能实现的复杂运算 • 长时间、大容量、无损地保留信息 • 数字系统比较容易处理甚低频信号，例如地球物理信号，模拟系统需要大尺寸的电感和电容

  14. 数字信号处理的优缺点（缺点） • 系统可能更加复杂 • 处理速度和频率限制（例：音频级、视频级、雷达、声纳等，超高速） • 数字信号处理系统一般采用有源器件，模拟系统可能采用无源器件实现，一般数字系统需要更多的功耗。（例如：数码相机必须采用大容量或专用充电电池） • 功能简单的系统，仍以模拟为主，复杂系统采用数字系统实现。 • 例－－模拟：普通收音机，指针式万用表。数字：手机、数码相机，MP3。电视：从模拟向数字迈进。

  15. 发展与挑战 • VLSI的发展，不断突破人们原有的预测，速度更快、功耗更低的数字集成电路使数字处理更加便捷。 • 对于数字信号处理，专用DSP处理器，已成为最重要的嵌入式系统的处理核心。 • 从1982年DSP处理器问世时10MPIS，到今天单片超过1GPIS，单片运算速度增加1000倍以上，每MPIS功耗和价格大大下降。 • A/D转换器已有突破20GHz的单片转换器。 • 模拟与数字系统是构成完整信息处理系统均不可缺少的单元，趋势是：核心处理部分采用数字处理，外围接口仍采用模拟系统 • 随着软件无线电、软件雷达等技术进展，越来越多功能采用DSP实现，但仍不可能完全抛弃模拟系统，有些专用功能还是仅用模拟系统实现。

  16. 1.2 时域离散信号－序列 信号的表示： 时域表示 复频域表示；频域表示 时－频表示 表示之间的等价性 不同表示反映不同特征

  17. 1.2 时域离散信号－序列 • 序列表示1－图形表示 注意，对于离散信号，非整数序号是没有定义的。

  18. 1.2 时域离散信号－序列（续） • 序列表示2－数学表达式： • 序列表示3－数据集合（例：采样序列）

  19. 1.2.1 常用离散信号 （Kronecker函数） 1. 单位抽样信号 如何表达 ？

  20. 2. 单位阶跃

  21. 矩形序列

  22. 实指数序列 • 单边 • 双边 单边实指数

  23. 周期序列 正弦型序列

  24. 离散信号的频率与周期 • 频率主值 注:角频率和频率关系

  25. 离散信号的频率与周期（续） • 高频与低频

  26. 离散信号的频率与周期（续） • 正弦信号的周期

  27. 离散信号的频率与周期（续）

  28. 离散信号的频率与周期（续） • 例子： 但角频率越大，包络变化越快是仍成立的。

  29. 离散信号的频率与周期（续） • 以N周期的、可区分的正弦（余弦、复指数）频率数目只有N个。（Why？）

  30. 1.2.2 序列的运算 • 单位延迟 • 前向差分 • 后向差分 • 高阶差分 • 例

  31. 序列的运算（续） • 序列移位 • 序列转置

  32. 序列的运算（续） • 序列的卷积和

  33. 序列的运算（续） • 卷积和：有限长序列

  34. 序列的运算（续） • 用冲激和卷积表示序列 这也是诸多信号分解中的一种，将信号分解成基本 “元素”之和

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