信號(hào)與信息處理基礎(chǔ)--張婷.doc

一、什么是信號(hào) 通常人們把信息的具體表現(xiàn)形式稱為信號(hào)，或者說，信息是信號(hào)包含的內(nèi)容。表現(xiàn)各種不同信息的信號(hào)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即信號(hào)總是一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)，他一般都包含了某個(gè)或某些現(xiàn)象性質(zhì)的信息。信號(hào)不同的物理形態(tài)并不影響他們所包含的信息內(nèi)容，且不同物理形態(tài)的信號(hào)之間可以相互轉(zhuǎn)換。例如：以聲壓變化表示的語音信號(hào)可以轉(zhuǎn)換成以電壓或電流表示的語音電信號(hào)，甚至可以轉(zhuǎn)換為一組數(shù)據(jù)表示的語音信號(hào)，即所謂數(shù)字信號(hào)。他們僅在物理形態(tài)上不一樣，但都包含了同樣的語音信息。 信號(hào)可以劃分為連續(xù)時(shí)間信號(hào)和離散時(shí)間信號(hào)。時(shí)間和幅值都連續(xù)的信號(hào)又可稱為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)屬于連續(xù)時(shí)間信號(hào)；時(shí)間與幅度的取值都具有離散性，則稱為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)屬于離散時(shí)間信號(hào)。1. 模擬信號(hào) 模擬信號(hào)分布于自然界的各個(gè)角落，如每天溫度的變化、聲道產(chǎn)生的語音、樂器發(fā)出的樂音等。 模擬數(shù)據(jù)一般采用模擬信號(hào)，例如用一系列連續(xù)變化的電磁波(如無線電與電視廣播中的電磁波)，或電壓信號(hào)(如電話傳輸中的音頻電壓信號(hào))來表示。2. 數(shù)字信號(hào) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采用數(shù)字信號(hào)，例如用一系列斷續(xù)變化的電壓脈沖(如我們可用恒定的正電壓表示二進(jìn)制數(shù)1，用恒定的負(fù)電壓表示二進(jìn)制數(shù)0)，或光脈沖來表示。 數(shù)字信號(hào)具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1） 抗干擾能力強(qiáng)、無噪聲積累在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號(hào)傳輸過程中及時(shí)對(duì)衰減的傳輸信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)在傳輸過程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時(shí)放大。對(duì)于數(shù)字通信，當(dāng)信噪比惡化到一定程度時(shí)，在適當(dāng)?shù)木嚯x采用判決再生的方法，再生成沒有噪聲干擾的和原發(fā)送端一樣的數(shù)字信號(hào)，所以可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高質(zhì)量的傳輸。 （2）便于加密處理信息傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄栽絹碓街匾瑪?shù)字通信的加密處理的比模擬通信容易得多，以話音信號(hào)為例，經(jīng)過數(shù)字變換后的信號(hào)可用簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯運(yùn)算進(jìn)行加密、解密處理。 （3）便于存儲(chǔ)、處理和交換采用二進(jìn)制代碼，因此便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也便于用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。 （4）設(shè)備便于集成化、微型數(shù)字通信采用時(shí)分多路復(fù)用，不需要體積較大的濾波器。設(shè)備中大部分電路是數(shù)字電路，可用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，因此體積小、功耗低。 （5）便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)采用數(shù)字傳輸方式，可以通過程控?cái)?shù)字交換設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交換，以實(shí)現(xiàn)傳輸和交換的綜合。另外，電話業(yè)務(wù)和各種非話業(yè)務(wù)都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，構(gòu)成綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。 （6）占用信道頻帶較寬隨著寬頻帶信道(光纜、數(shù)字微波)的大量利用(一對(duì)光纜可開通幾千路電話)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電話的帶寬問題已不是主要問題了。 2、 信號(hào)的發(fā)展歷程 信號(hào)處理發(fā)展的歷程主要是數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展歷程。 公元669：Newton偶然發(fā)現(xiàn)了光譜蛋卻沒有意識(shí)到頻率的概念。 公元1807：傅里葉分析誕生。 19世紀(jì)-20世紀(jì)：出現(xiàn)了兩種傅里葉分析方法，即連續(xù)與離散傅里葉，連續(xù)傅里葉將傅里葉分析推廣至任意函數(shù)。Dirichlet等人研究了傅里葉級(jí)數(shù)的收斂問題。因不同的需要產(chǎn)生了不同形式的FT。discrete：fast calculation methods(FFT),即快速傅里葉變換。 20世紀(jì)60年代中期以后高速計(jì)算機(jī)的發(fā)展已頗具規(guī)模，它可以處理較多的數(shù)據(jù)。 快速傅里葉變換的提出，在大多數(shù)實(shí)際問題中能使離散傅里葉變換的計(jì)算時(shí)間大大縮短；此外，若干高效的數(shù)字濾波算法的提出也促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展。 大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使數(shù)字信號(hào)處理不僅可以在通用計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，而且可以用數(shù)字部件組成的專用硬件來實(shí)現(xiàn)。很多通用組件已經(jīng)單片機(jī)化，甚至某些具有獨(dú)立處理功能的系統(tǒng)也已經(jīng)單片機(jī)化。這些都極大地降低了成本、減少了硬件體積并縮短了研制時(shí)間。3、 信號(hào)與信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)作為一門新興學(xué)科，由于技術(shù)的先進(jìn)性和應(yīng)用的廣泛性，越來越顯示出強(qiáng)大的生命力，凡是需要對(duì)各種各樣的信號(hào)進(jìn)行譜分析、濾波、壓縮等的科學(xué)領(lǐng)域和工程領(lǐng)域都要用到它，這種趨勢(shì)還在發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理在語音處理、通信系統(tǒng)、聲納、雷達(dá)、地震信號(hào)、空間技術(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、儀器儀表、生物醫(yī)學(xué)工程河和家用電器等方面得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用：（1） 信號(hào)處理 ： 數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅里葉變換、相關(guān)運(yùn)算、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等。（2） 通信 ： 調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回波抵消、多路復(fù)用、傳真、擴(kuò)頻通信、糾錯(cuò)編碼、可視電話等。（3） 語音 ： 語音編碼、語音合成、語音識(shí)別、語音增強(qiáng)、說話人辨認(rèn)、語音郵件、語音存儲(chǔ)等。（4） 圖形圖像： 如二維或三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強(qiáng)、動(dòng)畫、機(jī)器人視覺等。（5） 儀器儀表 ： 如頻譜分析、暫態(tài)分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、勘探、模擬試驗(yàn)等。（6） 醫(yī)療電子 ： 如助聽器CT掃描、超聲波、心腦電圖、核磁共振、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等。（7） 軍事與尖端科技 ： 如雷達(dá)和聲納信號(hào)處理、導(dǎo)彈制導(dǎo)、火控系統(tǒng)、導(dǎo)航、全球定位系統(tǒng)、尖端武器試驗(yàn)、航空航天試驗(yàn)、宇宙飛船、偵察衛(wèi)星等。（8） 消費(fèi)電子 ： 如數(shù)字電視、高清晰度電視、數(shù)字電話、高保真音響、音樂合成等。（9） 工業(yè)控制與自動(dòng)化： 如油井壓力測(cè)量與控制、溫度控制、開關(guān)電源控制等。以下對(duì)其中幾個(gè)做較為詳細(xì)的介紹：語音信號(hào)處理語音信號(hào)處理是信號(hào)處理中的重要分支之一。它包括的主要方面有：語音的識(shí)別，語言的理解，語音的合成,語音的增強(qiáng),語音的數(shù)據(jù)壓縮等。各種應(yīng)用均有其特殊問題。語音識(shí)別是將待識(shí)別的語音信號(hào)的特征參數(shù)即時(shí)地提取出來，與已知的語音樣本進(jìn)行匹配，從而判定出待識(shí)別語音信號(hào)的音素屬性。關(guān)于語音識(shí)別方法，有統(tǒng)計(jì)模式語音識(shí)別，結(jié)構(gòu)和語句模式語音識(shí)別，利用這些方法可以得到共振峰頻率、音調(diào)、嗓音、噪聲等重要參數(shù)，語音理解是人和計(jì)算機(jī)用自然語言對(duì)話的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。語音合成的主要目的是使計(jì)算機(jī)能夠講話。為此，首先需要研究清楚在發(fā)音時(shí)語音特征參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，然后利用適當(dāng)?shù)姆椒M發(fā)音的過程，合成為語言。其他有關(guān)語言處理問題也各有其特點(diǎn)。語音信號(hào)處理是發(fā)展智能計(jì)算機(jī)和智能機(jī)器人的基礎(chǔ)，是制造聲碼器的依據(jù)。語音信號(hào)處理是迅速發(fā)展中的一項(xiàng)信號(hào)處理技術(shù)。 振動(dòng)信號(hào)處理機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的分析與處理技術(shù)已應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、船只、機(jī)械設(shè)備、房屋建筑、水壩設(shè)計(jì)等方面的研究和生產(chǎn)中。振動(dòng)信號(hào)處理的基本原理是在測(cè)試體上加一激振力，做為輸入信號(hào)。在測(cè)量點(diǎn)上監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)。輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之比稱為由測(cè)試體所構(gòu)成的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（或稱轉(zhuǎn)移函數(shù)）。根據(jù)得到的傳遞函數(shù)進(jìn)行所謂模態(tài)參數(shù)識(shí)別，從而計(jì)算出系統(tǒng)的模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼等主要參數(shù)。這樣就建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)而可以做出結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些工作均可利用數(shù)字處理器來進(jìn)行。這種分析和處理方法一般稱為模態(tài)分析。實(shí)質(zhì)上，它就是信號(hào)處理在振動(dòng)工程中所采用的一種特殊方法。 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)方面主要是用來輔助生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論的研究和用于診斷檢查和監(jiān)護(hù)。例如，用于細(xì)胞學(xué)、腦神經(jīng)學(xué)、心血管學(xué)、遺傳學(xué)等方面的基礎(chǔ)理論研究。人的腦神經(jīng)系統(tǒng)由約 100億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞所組成，是一個(gè)十分復(fù)雜而龐大的信息處理系統(tǒng)。在這個(gè)處理系統(tǒng)中，信息的傳輸與處理是并列進(jìn)行的，并具有特殊的功能，即使系統(tǒng)的某一部分發(fā)生障礙，其他部分仍能工作，這是計(jì)算機(jī)所做不到的。因此，關(guān)于人腦的信息處理模型的研究就成為基礎(chǔ)理論研究的重要課題。此外，神經(jīng)細(xì)胞模型的研究，染色體功能的研究等等，都可借助于信號(hào)處理的原理和技術(shù)來進(jìn)行。 信號(hào)處理用于診斷檢查較為成功的實(shí)例，有腦電或心電的自動(dòng)分析系統(tǒng)、斷層成像技術(shù)等。斷層成像技術(shù)是診斷學(xué)領(lǐng)域中的重大發(fā)明。X射線斷層的基本原理是X射線穿過被觀測(cè)物體后構(gòu)成物體的二維投影。接收器接收后，再經(jīng)過恢復(fù)或重建，即可在一系列的不同方位計(jì)算出二維投影,經(jīng)過運(yùn)算處理即取得實(shí)體的斷層信息,從而大屏幕上得到斷層造像。信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用正處于迅速發(fā)展階段。 4、 數(shù)字信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)信號(hào)處理已為通信技術(shù)的發(fā)展提供了多種分析工具(如：壓縮、轉(zhuǎn)換編碼、過濾、去噪、檢測(cè)、評(píng)估和性能評(píng)價(jià)等工具)，也提供了多種實(shí)現(xiàn)工具，同時(shí)也促使通信技術(shù)領(lǐng)域劃時(shí)代事件的產(chǎn)生(如：速度和視頻編號(hào)器、調(diào)制解調(diào)器、均衡器和天線陣列等的出現(xiàn))加上半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算和通信設(shè)備的集成、通過WWW的廣泛的互聯(lián)網(wǎng)的訪問、線連接的迅速發(fā)展以及終端用戶對(duì)蜂窩式移動(dòng)服務(wù)需求的增加，所有這些促使信號(hào)處理組織力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“任何人、任何時(shí)間、任何地方”都能實(shí)現(xiàn)通信的夢(mèng)想。通信和計(jì)算設(shè)備的融合，互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用給用戶提供了無限的潛力：電話會(huì)議、視頻點(diǎn)播、萬維網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)電話與此同時(shí)，近年的迅速發(fā)展的無線訪問是世界電信業(yè)發(fā)展最強(qiáng)的推動(dòng)力在最近的將來“任何人、任何時(shí)間、任何地方”能非常方便通信的夢(mèng)想將成為現(xiàn)實(shí)，但這也存在艱難的技術(shù)挑戰(zhàn)：需要新的理論和復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)既包括高速光纖連接，又包括無線、有線和數(shù)字預(yù)定環(huán)技術(shù)的未來多媒體通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，今天通信發(fā)展的趨勢(shì)中的一個(gè)最重要的特性是通信需求的多樣性。信號(hào)處理的特點(diǎn)：將以以算法為中心, 更加注重實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。呈現(xiàn)智、多、新的面貌。向著非平穩(wěn)、非高斯、非線性化發(fā)展，并與各種智能技術(shù)相結(jié)合主要指神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)、進(jìn)化計(jì)算，也包括自適應(yīng)技術(shù)、混沌技術(shù)等。 同時(shí)，信號(hào)處理也向著多維、多譜、多分辨率、多媒體方向發(fā)展。信號(hào)與信息處理在支持和實(shí)現(xiàn)下一代通信系統(tǒng)中起決定性作用。 將適用于不