信号分析与处理14_图文50页PPT

06
信号处理的实际应用
信号处理在通信领域的应用
01
信号调制与解调
利用信号处理技术对信号进行调 制和解调，实现信号的传输和接 收。
02
信号压缩与解压缩
03
信号增强与恢复
通过信号处理技术对信号进行压 缩和解压缩，以减少传输带宽和 存储空间。
针对信道噪声和干扰，采用信号 处理算法对信号进行增强和恢复 ，提高通信质量。
调制解调的应用
无线通信
移动通信
在无线通信中，调制解调技术是实现 信号传输的关键环节，通过不同的调 制解调方式可以实现高速、可靠、低 成本的无线通信。
在移动通信中，由于信道条件变化大 、传输环境复杂，调制解调技术对于 提高信号传输质量和降低干扰具有重 要作用。
卫星通信
卫星通信中，由于传输距离远、信道 条件复杂，调制解调技术对于提高信 号传输质量和降低误码率具有重要意 义。
备或算法。
02
滤波器的作用
对信号进行预处理，提高信号质量，提取有用信息，抑制噪声和干扰。
03
滤波器的分类
按照不同的分类标准，可以将滤波器分为多种类型，如按照处理信号的
类型可以分为模拟滤波器和数字滤波器；按照功能可以分为低通滤波器
、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
滤波器的特性
频率特性
描述滤波器对不同频率信 号的通过和抑制能力，是 滤波器最重要的特性之一 。
通过将信号从时间域转换到频率域，可以更好地 揭示信号的内在特征和规律。
频域分析的基本概念包括频率、频谱、带宽等。
频域变换的性质
傅里叶变换
将信号从时间域转换到频率域的常用方法，具有 线性、时移、频移等性质。
频谱分析
通过分析信号的频谱，可以得到信号的频率成分 和幅度信息。

第11章 信号处理
11.1 波形调理
波形调理主要用于对信号进行数字滤波和加窗处理。波形调理VI节点位于 “函数选板”→“信号处理”→“波形调理”子选板中，
波形调理子选板
11.1.1 数字FIR滤波器
数字FIR滤波器可以对单波形和多波形进行滤波。如果对多波形进行滤波， 则VI将对每一个波形进行相同的滤波。信号输入端和FIR滤波器规范输入端 的数据类型决定了使用哪一个VI多态实例。
Express VI用于通过滤波器和窗对信号进行处理。在“函数选板 ”→“Express”→“信号分析”子选板中也包含该VI。
滤波器
配置滤波器窗口
11.1.5 课堂练习——对正弦信号进行仿真滤波
演示滤波器Express VI的使用。
前面板
滤波器的配置
程序框图
11.2 波形测量
使用波形测量选板中的VI进行最基本的时域和频域测量，例如直流，平均值， 单频频率/幅值/相位测量，谐波失真测量、信噪比及FFT测量等。波形测量VI在 “函数选板”→“信号处理”→“波形测量”子选板中
幅值和电平测量Express VI
配置幅值和电平测量
11.3 信号处理
使用信号运算选板中的VI进行信号的运算处理。信号运算VI在“函数选 板”→“信号处理”→“信号运算”子选板中。
信号运算选板上的VI节点的端口定义都比较简单，因此使用方法也比较简 单，下面只对该选板中包含的两个Express VI 进行介绍。
11.5 滤波器
使用滤波器VI进行IIR、FIR和非线性滤波。滤 波器选板上的VI可以返回一个通用LabVIEW错误 代码或一个特定的信号处理代码。滤波器VI在“ 函数选板”→“信号处理”→“滤波器”子选板 中。
11.6 谱分析

1、定义：两个各态历经随机过程 x(t)和y(t)的 互相关函数定义为：
Rxy ( )
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2、性质

1) 互相关函数描述了两信号之间的一般依赖关系。互相关函
数非奇非偶，是可正可负的实函数。

2) 两信号错开一个时间间隔 0 处相关程度有可能最高，即 Rxy(τ )通常不在τ ＝0处取峰值。但可能在τ ＝τ 0时达到最 大值。τ 0反映两信号x(t)、y(t)之间的滞后时间。 3)当x(t)和y(t)都是随机信号，且该信号各自的均值为零而
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采样
已知信号x(t)， 其频谱为X(f) 最高频率值记为fh 采样信号s(t)， 其频谱为 s(f)， 频率间隔为fs 且 fs＝1/Ts
采样即x(t)s(t), 其频谱为X(f)*S(f)
若 fs<2fh ，则 采样后频谱重叠。
（采样定理）
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从而得
若用 Rx ( ) 表示自相关函数，其定义为:
则：
机械工程测试技术基础 2 R ( ) ( ) (1)、 x x x x
2 2 2 2 因为 x ( ) 1, 所以x x Rx ( ) x x
式中 T0 ——正弦函数的周期， T0
令 t ，则 dt d
2 x0 Rx ( ) 2
2

2
0
0 可见正弦函数的自相关函数是一个余弦函数，在 时具有最大值， 但它不随τ 的增加而衰减至零。它保留了原正弦信号的幅值和频率信息， 而丢失了初始相位信息。
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数字化处理优点：极好的稳定性、高灵活性、高 精度、高分辨率、为设备智能化和成果共享提供了条 件。

应用
雷达信号处理、通信信号处理、机械故障诊断等。
其他时频分析方法简介
S变换
结合短时傅里叶变换和小波变换的优点，通 过可调高斯窗函数实现多分辨率分析。
希尔伯特-黄变换（HHT）
基于经验模态分解（EMD）和希尔伯特变换的时频分 析方法，适用于非线性、非平稳信号分析。
稀疏时频分析
利用信号的稀疏性，通过优化算法求解信号 的时频表示，提高时频分辨率和降噪能力。
01
02
03
信号的幅度和相位
描述信号在不同时刻的振 动幅度和相位信息。
信号的周期和频率
反映信号重复出现的周期 和频率特性。
信号的波形形状
包括正弦波、方波、锯齿 波等，反映信号的形状特 征。
时域特征参数提取
均值
表示信号的平均水平。
方差
描述信号幅度的波动程度。
峰值和峰峰值
反映信号的最大和最小幅度。
有效值和均方根值
滤波与增强在图像处理中的作用
改善图像质量、提高目标识别和检测能力等。
语音识别中特征提取和模式匹配技术
01
特征提取技术
从语音信号中提取出反映语音特征的关键参数，如梅尔频率 倒谱系数（MFCC）、线性预测系数（LPC）等。
02 03
模式匹配技术
将提取的语音特征与预定义的模板或模型进行匹配，实现语 音的识别或分类，包括动态时间规整（DTW）、隐马尔可夫 模型（HMM）等方法。
04 信号时频分析
短时傅里叶变换（STFT）
原理
应用
通过滑动窗口在信号上截取局部片段， 对每个片段进行傅里叶变换，得到信 号的时频表示。
语音信号处理、音乐分析、雷达信号 处理等。
特点
能够同时提供信号的时域和频域信息， 窗口长度和形状可调整以平衡时频分 辨率。

X (e j )e j n d
连续且周期
X (e j ( 2 k )） X (e j）
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3.2 离散时间信号的傅里叶变换 三、离散时间信号的傅里叶变换
时间离散
X s ( j ) N /T 2 T

T

T
2 T
信号经采样， 时域离散，但 离散时间信号 的傅里叶变换 依然是连续的 ，计算机还是 没办法处理。
X (e ) x(n)e jn
j n 0 N 1
X (k ) x(n)WN kn
n 0
N 1
X (k ) X (e j ) |

2 k N
结论：DFT是DTFT在 [0,2π]区间的均匀采样，实 现频率离散化，可看作是 对频谱理论上的“采样”。
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3.3 离散傅里叶变换及其性质 五、DFT和离散时间信号的傅里叶变换
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3.0 引言
离散傅里叶变换和快速傅里叶变换
傅里叶分析方法要和计算机有效结合，需进行离散化，包 括时域的离散和频域的离散，离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）正是解决这一问题，是一种便 于计算机实现的傅里叶变换。 快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）是DFT 的快速计算方法。1965年，J.W .Cooley和J.W .Tukey，在 《计算机数学》杂志（1965年第19卷）发表“机器计算傅 里叶级数的一种算法”，首先提出了FFT算法。FFT目前 在信号频谱分析、滤波器频率响应的计算、卷积运算、谱 估计算法及相关算法实现中都有很广泛的应用。
kn (k ) x (n)] X (n)WN DFS[ x n 0 N 1

与模拟处理系统相比数字处理系统具有以下优点： （1）数字处理系统可以完成许多模拟处理系统感 到困难甚至难以完成的复杂的信号处理任务。 以信号的谱分析为例，模拟处理系统通常要采用
大量的窄带滤波器来构成，不仅处理功能有限，而且分 辨力低，分析时间长。而现代数字谱分析采用快速傅里 叶变换算法（FFT），对于 1024点序列作谱分析只需 十几ms甚至几ms，实时处理能力很强，而且频谱分辨 能力也很强，在超低频段（1Hz）可达1mHz量级，在 高频段（100kHz)，可达250kHz，而且运算及输出功 能极其丰富。
又如在自动控制工程中需要过滤数赫或十数赫的信
号，采用模拟滤波，其电容电感数值可能大得惊人而不 易实现，但采用数字滤波方法却显得轻而易举。
又如图像信号处理正是利用数字计算机具有庞大的 存储单元及复杂的运算功能才得已实现。
2. 灵活性 对模拟系统而言，它的性能取决于构成它的一些
元件的参数，如欲改变其性能就必须改变这些硬件参数 ，重新构成新系统。对数字系统而言，系统的性能主要 取决于系统的设置及其运算规则或程序，因此只要改变 输入系统存储器的数据或改变运算程序，即能得到具有 不同性能的系统，丝毫不会带来困难，具有高度的灵活 性。
3. 精度高 模拟系统的精度主要取决于元器件的精度，一般 模拟器件的精度达到10-3已很不易。而数字系统的精度 主要取决于字长，16位字长可达10-4以上。
4. 稳定性好
模拟系统中各种器件参数易受环境条件的影响，如 产生温度漂移、电磁感应、杂散效应等。而数字系统只 有表示0、1两个电平，受这些因素的影响要小得多。
一般来说，把对信号进行分析和处理的系统归 纳为信号处理系统。
信号处理系统可分为：模拟处理系统和离散处 理系统两类。

信号的数学表示
总结词
数学表示是描述信号特性的重要手段，常用的数学表 示方法包括时域表示和频域表示。
详细描述
为了更好地描述和分析信号，我们需要使用数学方法 来表示信号。常用的数学表示方法包括时域表示和频 域表示。时域表示是指将信号的幅度或强度随时间变 化的关系表示出来，通过观察时域波形可以了解信号 的形状、幅度和频率等特性。频域表示则是将信号分 解为不同频率分量的叠加，通过观察频谱图可以了解 信号的频率成分、幅值和相位等信息。
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信号处理技术
干扰抑制
消除或降低雷达接收到的干扰信号，提高目 标检测和识别的准确性。
目标识别
通过分析雷达回波的特征，识别目标的类型 和属性。
雷达地图绘制
生成高分辨率的雷达地图，用于地形测绘、 军事侦察等领域。
通信信号处理
调制解调
将原始信号转换为适合传输的调制信 号，并在接收端进行解调还原。
信道编码
通过添加冗余信息来提高信号传输的 可靠性，降低误码率。
别、图像分类、自然语言处理等领域。
02
深度学习能够自动提取信号中的特征，避免了手工设计特 征的繁琐过程，并且能够处理大规模数据和高维数据。
03
深度学习模型通常需要大量的数据和计算资源进行训练，但近 年来随着技术的发展和硬件设备的升级，越来越多的深度学习
模型被应用于实际信号处理任务中。
THANKS.

1．系统的初始状态
根据各电容及电感的状态值能够确定在 t 0
时刻系统的响应及其响应的各阶导数
( y(0 ) k 1, 2 , , n 1)
称这一组数据为该系统的初始状态。
2．系统的初始值
一般情况下，由于外加激励的作用或系统内 部结构和参数发生变化，使得系统的初始值与 初始状态不等，即：
y(0 ) y(0 )
自由响应又称固有响应，它反映了系统本身 的特性，取决于系统的特征根； 强迫响应又称强制响应，是与激励相关的响 应。 利用经典法可以直接求得自由响应与强迫响 应，强迫响应即特解
先求得系统的零输入响应和零状态响应，并 获得系统的全响应；
然后利用系统特性与自由响应、激励与强迫 响应的关系可以间接得到自由响应和强迫响应。
t
f (t) (t)dt f (0) (t)dt
f (0) (t)dt f (0)
(1)
0
t
ห้องสมุดไป่ตู้（3）偶函数
（4）
(at)
1 a
(t)
f (t) (t) ( f (0))
（5） (t)与U (t)的关系
0
t
1.2 基本信号及其时域特性
单位冲激偶信号 '(t)
f (t) 1/
f ' (t) (1/ )
第2章 连续系统的时域分析
2.1 LTI连续系统的模型 2.2 LTI连续系统的响应 2.3 冲激响应与阶跃响应 2.4 卷积与零状态响应
2.1 LTI连续系统的模型
2.1.1 LTI连续系统的数学模型 2.1.2 LTI连续系统的框图
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2.1.1 LTI连续系统的数学模型
对于任意一个线性时不变电路，当电路结构 和组成电路的元件参数确定以后， 根据元件的伏安关系和基尔霍夫定律，可以 建立起与该电路对应的动态方程。

B2(z) A2(z)
B(z) A(z)
AB==ccoonnvv((AB1l,,A B22))
实验内容
任意选择两种类型的IIR数字滤波器（巴特沃斯、切 比雪夫、椭圆、宁可瑞等类型 ），设计一个二分 频的数字分频器，已知系统的采样率为48000Hz。
分频点为2000Hz； 要求给出类似图8.3的幅频特性图，分频器的幅频响应平
数字音频信号的分析与处理
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实验目的
复习巩固数字滤波器的设计方法与性能评估 方法灵活运用数字滤波源自的基本理论设计音频信 号处理分频器
实验原理
人耳能听到的声音频率范围为 20Hz~20000Hz，但由于技术所限，扬声 器难以做到在此频率范围内都有很好的特性， 因此一般采用两个以上的扬声器来组成一个 系统，不同的扬声器播放不同频带的声音， 将声音分成不同频带的设备就是分频器
坦，在分频点处最多不能超过3dB的偏差； 用频谱分析的方法验证设计好的分频器； 对选用的两种类型的滤波器效果进行对比 画出滤波器的零极点图，根据极点分布情况验证滤波器
性能以及确定设计的滤波器的稳定性
宁可瑞滤波器
宁可瑞滤波器--两个巴特沃夫滤波器级联
N阶巴特沃夫滤波器等效宁可瑞滤波器的设计
你能得到预期的合成幅度特性图形吗？
确定阶数N或截止频率wpo(wso)是本实验的关键 步骤
在分频器设计中，由于理论确定计算N、 wpo(wso)的值 比较困难，因此可通过实验确定
除了通过观察的方法确定N，你能通过编程的方法得到符 合指标要求的N吗？
设计要点3
不同的滤波器设计方法得到的合成幅度特性 会有所不同，对比以下两项指标，评估不同 方法所设计的滤波器的性能