信号与信息处理基础--张婷.doc

一、什么是信号 通常人们把信息的具体表现形式称为信号，或者说，信息是信号包含的内容。表现各种不同信息的信号都有一个共同的特点，即信号总是一个或多个独立变量的函数，他一般都包含了某个或某些现象性质的信息。信号不同的物理形态并不影响他们所包含的信息内容，且不同物理形态的信号之间可以相互转换。例如：以声压变化表示的语音信号可以转换成以电压或电流表示的语音电信号，甚至可以转换为一组数据表示的语音信号，即所谓数字信号。他们仅在物理形态上不一样，但都包含了同样的语音信息。 信号可以划分为连续时间信号和离散时间信号。时间和幅值都连续的信号又可称为模拟信号，模拟信号属于连续时间信号；时间与幅度的取值都具有离散性，则称为数字信号，数字信号属于离散时间信号。1. 模拟信号 模拟信号分布于自然界的各个角落，如每天温度的变化、声道产生的语音、乐器发出的乐音等。 模拟数据一般采用模拟信号，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示。2. 数字信号 数字数据采用数字信号，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。 数字信号具有很多优点：（1） 抗干扰能力强、无噪声积累在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。对于数字通信，当信噪比恶化到一定程度时，在适当的距离采用判决再生的方法，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，所以可实现长距离高质量的传输。 （2）便于加密处理信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。 （3）便于存储、处理和交换采用二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。 （4）设备便于集成化、微型数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。 （5）便于构成综合数字网和综合业务数字网采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。另外，电话业务和各种非话业务都可以实现数字化，构成综合业务数字网。 （6）占用信道频带较宽随着宽频带信道(光缆、数字微波)的大量利用(一对光缆可开通几千路电话)以及数字信号处理技术的发展，数字电话的带宽问题已不是主要问题了。 2、 信号的发展历程 信号处理发展的历程主要是数字信号处理的发展历程。 公元669：Newton偶然发现了光谱蛋却没有意识到频率的概念。 公元1807：傅里叶分析诞生。 19世纪-20世纪：出现了两种傅里叶分析方法，即连续与离散傅里叶，连续傅里叶将傅里叶分析推广至任意函数。Dirichlet等人研究了傅里叶级数的收敛问题。因不同的需要产生了不同形式的FT。discrete：fast calculation methods(FFT),即快速傅里叶变换。 20世纪60年代中期以后高速计算机的发展已颇具规模，它可以处理较多的数据。 快速傅里叶变换的提出，在大多数实际问题中能使离散傅里叶变换的计算时间大大缩短；此外，若干高效的数字滤波算法的提出也促进了数字信号处理技术的发展。 大规模集成电路的发展，使数字信号处理不仅可以在通用计算机上实现，而且可以用数字部件组成的专用硬件来实现。很多通用组件已经单片机化，甚至某些具有独立处理功能的系统也已经单片机化。这些都极大地降低了成本、减少了硬件体积并缩短了研制时间。3、 信号与信号处理的应用领域 数字信号处理技术作为一门新兴学科，由于技术的先进性和应用的广泛性，越来越显示出强大的生命力，凡是需要对各种各样的信号进行谱分析、滤波、压缩等的科学领域和工程领域都要用到它，这种趋势还在发展。数字信号处理在语音处理、通信系统、声纳、雷达、地震信号、空间技术、自动控制系统、仪器仪表、生物医学工程河和家用电器等方面得到了广泛应用。数字信号处理的应用：（1） 信号处理 ： 数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等。（2） 通信 ： 调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等。（3） 语音 ： 语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、语音邮件、语音存储等。（4） 图形图像： 如二维或三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。（5） 仪器仪表 ： 如频谱分析、暂态分析、函数发生、锁相环、勘探、模拟试验等。（6） 医疗电子 ： 如助听器CT扫描、超声波、心脑电图、核磁共振、医疗监护等。（7） 军事与尖端科技 ： 如雷达和声纳信号处理、导弹制导、火控系统、导航、全球定位系统、尖端武器试验、航空航天试验、宇宙飞船、侦察卫星等。（8） 消费电子 ： 如数字电视、高清晰度电视、数字电话、高保真音响、音乐合成等。（9） 工业控制与自动化： 如油井压力测量与控制、温度控制、开关电源控制等。以下对其中几个做较为详细的介绍：语音信号处理语音信号处理是信号处理中的重要分支之一。它包括的主要方面有：语音的识别，语言的理解，语音的合成,语音的增强,语音的数据压缩等。各种应用均有其特殊问题。语音识别是将待识别的语音信号的特征参数即时地提取出来，与已知的语音样本进行匹配，从而判定出待识别语音信号的音素属性。关于语音识别方法，有统计模式语音识别，结构和语句模式语音识别，利用这些方法可以得到共振峰频率、音调、嗓音、噪声等重要参数，语音理解是人和计算机用自然语言对话的理论和技术基础。语音合成的主要目的是使计算机能够讲话。为此，首先需要研究清楚在发音时语音特征参数随时间的变化规律，然后利用适当的方法模拟发音的过程，合成为语言。其他有关语言处理问题也各有其特点。语音信号处理是发展智能计算机和智能机器人的基础，是制造声码器的依据。语音信号处理是迅速发展中的一项信号处理技术。 振动信号处理机械振动信号的分析与处理技术已应用于汽车、飞机、船只、机械设备、房屋建筑、水坝设计等方面的研究和生产中。振动信号处理的基本原理是在测试体上加一激振力，做为输入信号。在测量点上监测输出信号。输出信号与输入信号之比称为由测试体所构成的系统的传递函数（或称转移函数）。根据得到的传递函数进行所谓模态参数识别，从而计算出系统的模态刚度、模态阻尼等主要参数。这样就建立起系统的数学模型。进而可以做出结构的动态优化设计。这些工作均可利用数字处理器来进行。这种分析和处理方法一般称为模态分析。实质上，它就是信号处理在振动工程中所采用的一种特殊方法。 生物医学信号处理信号处理在生物医学方面主要是用来辅助生物医学基础理论的研究和用于诊断检查和监护。例如，用于细胞学、脑神经学、心血管学、遗传学等方面的基础理论研究。人的脑神经系统由约 100亿个神经细胞所组成，是一个十分复杂而庞大的信息处理系统。在这个处理系统中，信息的传输与处理是并列进行的，并具有特殊的功能，即使系统的某一部分发生障碍，其他部分仍能工作，这是计算机所做不到的。因此，关于人脑的信息处理模型的研究就成为基础理论研究的重要课题。此外，神经细胞模型的研究，染色体功能的研究等等，都可借助于信号处理的原理和技术来进行。 信号处理用于诊断检查较为成功的实例，有脑电或心电的自动分析系统、断层成像技术等。断层成像技术是诊断学领域中的重大发明。X射线断层的基本原理是X射线穿过被观测物体后构成物体的二维投影。接收器接收后，再经过恢复或重建，即可在一系列的不同方位计算出二维投影,经过运算处理即取得实体的断层信息,从而大屏幕上得到断层造像。信号处理在生物医学方面的应用正处于迅速发展阶段。 4、 数字信号的发展趋势信号处理已为通信技术的发展提供了多种分析工具(如：压缩、转换编码、过滤、去噪、检测、评估和性能评价等工具)，也提供了多种实现工具，同时也促使通信技术领域划时代事件的产生(如：速度和视频编号器、调制解调器、均衡器和天线阵列等的出现)加上半导体技术的发展、计算和通信设备的集成、通过WWW的广泛的互联网的访问、线连接的迅速发展以及终端用户对蜂窝式移动服务需求的增加，所有这些促使信号处理组织力争实现“任何人、任何时间、任何地方”都能实现通信的梦想。通信和计算设备的融合，互联网的广泛使用给用户提供了无限的潜力：电话会议、视频点播、万维网和互联网电话与此同时，近年的迅速发展的无线访问是世界电信业发展最强的推动力在最近的将来“任何人、任何时间、任何地方”能非常方便通信的梦想将成为现实，但这也存在艰难的技术挑战：需要新的理论和复杂的信号处理技术既包括高速光纤连接，又包括无线、有线和数字预定环技术的未来多媒体通信网络的设计，今天通信发展的趋势中的一个最重要的特性是通信需求的多样性。信号处理的特点：将以以算法为中心, 更加注重实现与应用。呈现智、多、新的面貌。向着非平稳、非高斯、非线性化发展，并与各种智能技术相结合主要指神经网络、模糊系统、进化计算，也包括自适应技术、混沌技术等。 同时，信号处理也向着多维、多谱、多分辨率、多媒体方向发展。信号与信息处理在支持和实现下一代通信系统中起决定性作用。 将适用于不