信号处理与数据分析绪论

2020/4/27大连理工大学1信号处理与数据分析SignalProcessingandDataAnalysis大连理工大学硕士研究生校管课程电子信息与电气工程学部邱天爽2015年9月2020/4/27大连理工大学2第0章绪论大连理工大学硕士研究生校管课程信号处理与数据分析电子信息与电气工程学部邱天爽2015年9月2020/4/27大连理工大学3内容概要•§0.1信号处理的意义与用途•§0.2信息与信号的概念•§0.3系统的概念•§0.4信号分析与处理的内容•§0.5信号分析处理的基本方法•§0.6本课程的主要内容2020/4/27大连理工大学4§0.1信号处理的意义与用途2020/4/27大连理工大学5•信号处理的概念–信号处理：使用系统对含有信息的信号进行处理（变换），以获得人们所希望的信号，从而达到提取信息、便于利用的目的。–信号处理的主要内容包括滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等一系列的信号加工。待处理信号信号处理系统有用信号信号的其他形式可利用的信息2020/4/27大连理工大学6•信号处理技术的发展概况–20世纪60年代前，信号处理主要依靠模拟仪器实现。–随着计算机技术、大规模集成电路技术的发展和数字信号处理算法上的突破，自20世纪60年代以来，信号处理主要由数字信号处理来完成。–1965年，库利和图基提出了快速傅里叶变换算法，使计算离散傅里叶变换的速度提高了几个数量级。是数字信号处理逐步走向实用。–20世纪70年代以后，信号处理新算法不断出现。美国TI公司于1980年代推出了DSP芯片，进一步推动了信号处理技术的发展。2020/4/27大连理工大学7•美国TI公司推出的DSP芯片：2020/4/27大连理工大学8•DSP开发系统：2020/4/27大连理工大学9•信号处理技术的发展概况（续）–20世纪90年代以来，出现了计算机虚拟仪器，以美国NI公司的Labview为代表，将传统的仪器与计算机结合起来。虚拟仪器套件2020/4/27大连理工大学10•信号处理技术的发展概况（续2）–20世纪80年代以来至今，信号处理新理论，信算法不断涌现：•非平稳信号处理：时频分析、小波变换、希尔伯特—黄变换等；•非高斯信号处理：高阶累积量与高阶谱、分数低阶统计量、相关熵等；•非线性信号处理：分形、混沌、人工神经网络；•信号分离方法：独立分量分析2020/4/27大连理工大学11•信号处理技术的主要内容–离散时间线性时不变系统分析；–离散时间信号的时域及频域分析、离散傅里叶变换；–信号的采集，包括A/D、D/A技术，信号采样理论等；–数字滤波、谱分析与快速傅里叶变换，卷积与相关；–自适应信号处理；–估计理论，包括谱估计与相关函数估计；–信号的压缩，包括语音与图像的压缩；–信号的建模与信号的重建；–信号处理的实现与应用等2020/4/27大连理工大学12•信号处理技术的主要应用–汽车技术：•自适应驾驶；防滑制动；移动通信；数字音响；发动机控制；全球定位；导航；振动分析；语音命令–消费电子：•数字音响/电视；教育玩具；音乐合成；传呼机；动力工具；雷达检测器；固体应答机–控制：•磁盘/光盘驱动；发动机控制；激光打印机控制；电动机控制；机器人控制；伺服控制–通用设备：•自适应滤波；卷积；相关；数字滤波；FFT，波形产生2020/4/27大连理工大学13•信号处理技术的主要应用（续）–图形图像：•3D计算；动画与数字图画；图像压缩与变换；图像增强；模式识别；机器视觉–工业：•数字控制；生产线监控；机器人；安全入口监控–仪器仪表：•数字滤波；函数发生；模式匹配；锁相环；地震信号处理；谱分析；过渡过程分析–医疗：•诊断设备；胎儿监测；助听；患者监测；超声设备；CT；MRI2020/4/27大连理工大学14•信号处理技术的主要应用（续2）–军事应用：•图像处理；导弹制导；导航；雷达信号处理；射频调制解调；保密通信；声纳信号处理–通信技术：•调制解调器；自适应均衡器；基站；移动通信；信道复用；数据加密；数字交换机；数字语音插值；编解码；回波抵消；传真；个人通信系统；个人数字处理（PAD）；扩频技术；xDSL；视频会议；分组交换–视频/语音•说话人识别；语音增强；语音识别；语音合成；语音邮件–……2020/4/27大连理工大学15•信号处理技术涉及众多学科；•信号处理技术应用于众多领域；•信号处理有自己完整的理论体系；•信号处理以最快的速度形成相关产业；•信号处理学科有着极其美好的发展前景；•它将为经济建设和科学技术发展做出自己的贡献；•让我们好好学习，努力掌握，广泛应用！2020/4/27大连理工大学16§0.2信息与信号的概念2020/4/27大连理工大学17•信息（Information）的概念–信息一词在我国历史悠久，南唐时期诗人李中有诗云：“梦断美人沉信息，目穿长路依楼台”。在这里，信息泛指音讯和消息。–英文中Information一词的词根为infor，是通知的意思，即被告知的事实或知识。–以上关于“信息”的说明，均不是作为科学名词或技术术语出现的。–查1985年版的《词海》，遗憾的是，未发现“信息”词目。但有文字称“信息论是利用数学方法，研究信息的计量、传送、变换和存储的一门科学”。2020/4/27大连理工大学18•信息的定义–定义1：信息是关于事物运动状态或存在方式不确定性的描述。–定义2：信息是指对消息的接受者来说预先不知道的报道。–举例（信息与消息的区别）•例1：甲告诉乙说：“你考上了研究生”，那么乙就获得了信息（消除了不确定性）。如果丙又告诉乙同样的话，此时，对乙来说，他只是得到了一条消息，并没有获得其他任何信息。（前提：消息是正确的）•例2：关于天气预报：某人从中央台的天气预报中得到“明天晴转多云”的消息，随后又从北京台得到同样的消息。则第一次的消息对于某人来说是信息，第二次的则是消息，因为没有新的信息。2020/4/27大连理工大学19•信息与消息–消息的定义•用文字、符号、数据、语言、音符、图片、图像等能够被人们感觉器官所感知的形式，把客观物质运动和主观思维活动的状态表达出来就称为消息。•没有说明接受者的情况。–从通信的角度来说明•通信过程是进行消息的传输；其目的是消除接收端的不确定性；•通过通信，不确定性消除了，就获得了信息。–信息是可以计量的•事件发生的可能性越小，使人感到惊奇与意外，其信息量↑，即消息中的信息量与事件发生的概率紧密相关；•信息量的大小与消息的种类和事件的重要程度无关2020/4/27大连理工大学20•信息量计算举例–若，则信息量的单位为bit；–若，则信息量的单位为nat；–若，则信息量的单位为哈特莱；–为消息出现的概率。–举例•例：字母e的概率为P(e)=0.105，则其信息量为I(e)=3.24bit•例：字母q的概率为P(q)=0.001，则其信息量为I(q)=9.97bit)(log)](/1[logxPxPIaa2aea10a)(xP2020/4/27大连理工大学21•信号（Signal）的概念–定义1：信号是信息的携带者，是信息的载体。–定义2：把消息变换成适合信道传输的物理量，这种物理量称为信号（如电信号、光信号、声信号、生物信号等等）。•信号与信息的区别–信号是一个物理量，可测量、可描述、可显示，它携带着消息，是消息的运载工具。–信息与信号有着本质的区别，信号是载荷信息的实体，信号仅仅是外壳，信息则是内核。2020/4/27大连理工大学22•信号的分类–连续时间信号：自变量是连续的。–离散时间信号：自变量是离散的。–【例0.1】（连续时间信号与离散时间信号，li1_1.m）)(tx][nx2020/4/27大连理工大学23–周期性信号：–非周期性信号：不满足上述关系。–【例0.2】（周期与非周期性信号，li1_2.m）][][),()(NnxnxTtxtx2020/4/27大连理工大学24–奇对称信号：–偶对称信号：–【例0.3】（奇对称信号与偶对称信号，li1_3.m）][][),()(nxnxtxtx][][),()(nxnxtxtx2020/4/27大连理工大学25–一维信号：–多维信号：–【例0.4】（二维信号即图像信号举例）][),(nxtx],[),,(nmxvux2020/4/27大连理工大学26–确定性信号：可以用数学解析式表示–随机信号：不能用数学解析式表示–【例0.5】（确定性与随机信号举例，li1_5）2020/4/27大连理工大学27§0.3系统的概念2020/4/27大连理工大学28•系统（System）的概念–为实现规定功能以达到某一目标而构成的相互关联的一个集合体或装置(部件)。–系统泛指由一群有关联的个体组成，根据预先编排好的规则工作，能完成个别元件不能单独完成的工作的群体。系统分为自然系统与人为系统两大类。–一群有相互关联的个体组成的集合称为系统。–系统的两个要素：•系统中至少包含两个不同元素；•系统中的元素按一定方式相互联系2020/4/27大连理工大学29•关于系统的进一步说明–系统的存在性：系统是普遍存在的，在宇宙间，从基本粒子到河外星系，从人类社会到人的思维，从无机界到有机界，从自然科学到社会科学，系统无所不在。大致分为自然系统、人工系统、复合系统。–自然系统：系统内的个体按自然法则存在或演变，产生或形成一种群体的自然现象与特征。例：生命系统，天体系统等–人工系统：系统内的个体根据人为的、预先编排好的规则或计划好的方向运作，以实现或完成系统内各个体不能单独实现的功能、性能与结果。例：计算机系统，教育系统–复合系统：是自然系统和人工系统的组合。例：人机系统，导航系统2020/4/27大连理工大学30•一个复合系统的例子：脑机接口（BCI）EEG信号提取信号处理特征信号提取特征分类控制接口状态反馈视觉音频信息反馈应用结构2020/4/27大连理工大学31•典型的通信系统–单工（SimplexTransmission）：消息只能单方向传输–半双工（Half-duplexTransmission）：双方均能发消息，但是不能同时收或同时发–全双工（Full-duplexTransmission）：双方均可同时收发消息信源发送设备信道接受设备信宿噪声噪声2020/4/27大连理工大学32•通信系统几个要素–Source（信源）:信息的发生地；把消息变成电信号。•信源编码：对信源进行压缩、加密等操作，称为信源编码–Destination（信宿）:信息的接收者，将信号转变为消息。–Transmitter（发送设备）:将信源输出的信号变换成适合信道传输的形式，并送往信道，又称为信道编码–Channel（信道）:信号传输的通道。–Receiver（接收设备）:把接收到的信号恢复成原始信号，即解调、译码、解密等。–Noise（噪声）:传输过程中必然引入的非信息信号，如热噪声、脉冲噪声、干扰与衰落等2020/4/27大连理工大学33•调制的作用–有效地辐射电磁波，增加辐射距离。•天线尺寸与信号波长相当时辐射效率较高。•语音信号的波长大约为100km，工程不易实现。–进行频率管理。–提高系统的抗干扰和保密能力。•主要的调制方式–模拟调制•AM，FM，PM–数字调制•ASK，FSK，PSK，……/cf2020/4/27大连理工大学34典型的数据通信系统2020/4/27大连理工大学35SimplifiedDataCommunicationsModel2020/4/27大连理工大学36§0.4信号分析与处理的内容2020/4/27大连理工大学37•信号变换–一般来说，所获得的原始信号都是连续时间信号，不一定适合分析与处理的要求，需要变换。–可能经过A/D转换而变换到离散时间域，变为，便于计算机处理。–在很多情况下，还需要将信号变换到频率域或其他域，以便于进一步的分析处理。–举例：)(),(tytx(),()xnynx()(j),()(j)tXytY2020/4/27大连理工大学38•信号变换举