11信號分析與處理課堂用書測試信號處理技術(shù)（第3版）SignalAnalysisandProcessing

本科生課程課程代碼：課程學(xué)時：課內(nèi)用書

測試信號處理技術(shù)（第三版）王睿，周浩敏北京航空航天大學(xué)出版社2019參考書：

A.V.Oppenheim,A.S.WillskywithS.H.Nawab.SignalsandSystems（SecondEdition）.PrenticHall,1999（清華大學(xué)出版社影印本）劉樹堂譯中譯本：《信號與系統(tǒng)》（第二版）.

西安：西安交通大學(xué)出版社，1998

鄭君里，英啟珩，楊偉理《信號與系統(tǒng)》（第二版）

北京高等教育出版社，2000年胡廣書.《數(shù)字信號處理-理論、算法與實(shí)現(xiàn)》（第二版）北京：清華大學(xué)出版社，2003年吳京《信號分析與處理》（修訂版）電子工業(yè)出版社，2014年2教學(xué)參考書課前：預(yù)習(xí)課上：原理概念講解，邏輯體系脈絡(luò)，重點(diǎn)難點(diǎn)舉例課下：復(fù)習(xí)，做習(xí)題理解消化課上內(nèi)容，整理總結(jié)實(shí)驗：編程應(yīng)用（自學(xué)Ｍatlab）3課程特點(diǎn)及學(xué)習(xí)建議重要！本課是信息類專業(yè)人才培養(yǎng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程系統(tǒng)！物理概念、數(shù)學(xué)方法、工程應(yīng)用找支柱！三大變換兩種方法，典型信號，濾波如何使各種信號能夠在數(shù)字化技術(shù)中進(jìn)行分析、處理及濾波應(yīng)用問題驅(qū)動！掌握基礎(chǔ)知識，理清脈絡(luò)體系會做重點(diǎn)題型，獲得理想成績4信號與信號處理的基本概念連續(xù)時間信號運(yùn)算（典型信號的關(guān)系、卷積、相關(guān)）連續(xù)時間信號及系統(tǒng)分析（傅里葉級數(shù)、傅里葉變換、

抽樣定理,拉氏變換）離散時間序列及其Z變換離散時間信號分析（DTFT,DFS,DFT,FFT)離散時間系統(tǒng)時域分析，Z域分析模擬濾波器設(shè)計(Butterworth，Chebyshev）數(shù)字濾波器設(shè)計（IIR,FIR)課程內(nèi)容簡介4

第1章概論1.1測試、信息、消息和信號1.2測試信號分類1.3信號分析與信號處理1.4信號與測試系統(tǒng)56測試測試是人們認(rèn)識客觀事物的方法，測試過程是從客觀事物中獲取有關(guān)信息的認(rèn)識過程。測試包括測量、檢測與試驗。各種測試而得到的數(shù)據(jù)、曲線、序列等是認(rèn)識世界的重要依據(jù)，因而測試技術(shù)的每一個進(jìn)步都會帶來人們對世界認(rèn)識的進(jìn)步。對測試數(shù)據(jù)和信號進(jìn)行處理與分析是測試技術(shù)不可分割的重要內(nèi)容。這被稱為“二次探測技術(shù)”或“軟測量技術(shù)”在靜態(tài)測量中，測量系統(tǒng)的輸入與輸出僅是數(shù)值上的對應(yīng)關(guān)系，因而重視對數(shù)值誤差上的分析；在動態(tài)測試中，是測量物理量隨時間變化的過程，是輸入與輸出信號上的對應(yīng)關(guān)系，重點(diǎn)研究的是測試系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，信號的不失真?zhèn)鬟f、噪聲的耦合和消除等等與信號有關(guān)的一系列問題。自然和物理信號例如：語音、圖象、地震信號、生理信號等人工產(chǎn)生的信號例如：雷達(dá)信號、通訊信號、醫(yī)用超聲信號、機(jī)械探傷信號等7信號的概念

信號是隨時間變化的物理量（電、光、文字、符號、圖像、數(shù)據(jù)等），可以認(rèn)為它是一種傳載信息的函數(shù)。

信號是信息的載體Carrier8信息是人類對外界事物的感知，具有物質(zhì)屬性，但不是物質(zhì)本身。信息本身不具備傳輸和交換的能力，而必須通過信號來實(shí)現(xiàn)。信號是反映（或載有）信息的各種物理量，是系統(tǒng)直接進(jìn)行加工、變換以實(shí)現(xiàn)通信的對象。信號是信息的表現(xiàn)形式，消息則是信號的具體內(nèi)容。信息(information)、消息(message)、信號(Signal)消息是由符號、文字、數(shù)字或語音組成的序列聲音：麥克風(fēng)光和圖像：半導(dǎo)體器件，如：光電二極管，光電晶體管，CMOS,CCD(電荷耦合器件)芯片(載流能力隨入射光而變化)溫度：熱敏電阻(阻值隨溫度變化)，半導(dǎo)體器件，熱電偶(對溫度反應(yīng)不同兩種金屬制成，溫差導(dǎo)致電壓)。其他：應(yīng)力傳感器，壓力傳感器，流量傳感器9信號的獲得(transducer,sensor)數(shù)學(xué)描述使用具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式，把信號描述為一個或若干個自變量的函數(shù)或序列的形式。10信號描述方法因此，常可將“信號”與“函數(shù)”和“序列”等同起來波形描述按照函數(shù)隨自變量的變化關(guān)系，把信號的波形畫出來。11信號描述方法

12信號的頻譜信號波形：被測信號信號幅度隨時間或頻率的變化歷程稱為信號的波形，它是信號分類的主要依據(jù)之一。信號的波形

第1章概論1.1測試、信息、消息和信號1.2測試信號分類1.3信號分析與信號處理1.4信號與測試系統(tǒng)1314信號的分類

為深入了解信號的物理實(shí)質(zhì)，將其進(jìn)行分類研究是非常必要的，從不同角度觀察信號，可以將其分為：1從信號描述上分--確定性信號與非確定性信號；3從信號的幅值和能量上--能量信號與功率信號；4從分析域上--時域與頻域；2從連續(xù)性--連續(xù)時間信號與離散時間信號；5從可實(shí)現(xiàn)性

--物理可實(shí)現(xiàn)信號與物理不可實(shí)現(xiàn)信號。15確定性信號與非確定性信號可以用明確數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號稱為確定性信號。不能用數(shù)學(xué)關(guān)系式描述的信號稱為非確定性信號。16確定性信號的分類波形（1）周期信號：經(jīng)過一定時間可以重復(fù)出現(xiàn)的信號

x(t)=x(t+nT)簡單周期信號復(fù)雜周期信號對于周期信號，通常只關(guān)心周期區(qū)間的寬度，而對區(qū)間的起點(diǎn)則可以根據(jù)需要來定判斷信號是否是周期的，參考點(diǎn)可以任意選取，只關(guān)心再現(xiàn)時的間隔(周期)當(dāng)周期T

無窮大時，成為非周期信號考慮如何繪制周期信號示意圖：復(fù)制+平移

**數(shù)學(xué)表達(dá)方式？

17關(guān)于周期信號18確定性信號的分類波形（2）b)非周期信號：不會重復(fù)出現(xiàn)的信號。準(zhǔn)周期信號準(zhǔn)周期信號:由多個周期信號合成，但各周期信號的頻率不成公倍數(shù)，其合成信號不是周期信號。如：x(t)=sin(t)+sin(√2.t)瞬態(tài)信號瞬態(tài)信號:持續(xù)時間有限的信號，如x(t)=e-Bt.Asin(2*pi*f*t)19周期信號的線性組合一般情況，周期為和周期為的兩個（或多個周期信號相加），可能是周期信號，也可能非周期信號。這主要取決于在這兩個周期，之間是否有最小公倍數(shù)，即是否存在一個最小數(shù)能同時被和所整除。若存在最小公倍數(shù)則有：也就是，若：

，則信號加后為周期信號，否則就不是周期信號。20c)非確定性信號：不能用數(shù)學(xué)式描述，其幅值、相位變化不可預(yù)知，所描述物理現(xiàn)象是一種隨機(jī)過程。噪聲信號(平穩(wěn))噪聲信號(非平穩(wěn))統(tǒng)計特性變異確定性信號的分類波形（3）21信號的分類（2）時間連續(xù)信號與時間離散信號信號的自變量是否在所討論的整個連續(xù)區(qū)間內(nèi)都有定義？定義域連續(xù)？NO時間離散信號YES時間連續(xù)信號模擬信號、量化信號、抽樣信號與數(shù)字信號通常被稱為“序列”模擬信號的定義域(自變量)和值域(函數(shù)值)都是連續(xù)的；量化信號的定義域連續(xù)而值域離散；抽樣信號的定義域離散而值域連續(xù)；數(shù)字信號在定義域和值域都是離散的。計算機(jī)特別適合于處理數(shù)字信號22模擬信號、抽樣信號與量化信號、數(shù)字信號注意抽樣信號與數(shù)字信號的取值是有差異的!信號的分類（2）23信號的分類（3）能量信號與功率信號定義信號的能量為：離散時間信號連續(xù)時間信號定義信號的功率為：離散時間信號連續(xù)時間信號如果信號的能量是有限的，則稱為能量有限信號，簡稱能量信號。如果信號的功率是有限的，則稱為功率有限信號，簡稱功率信號。24a)能量信號在所分析的區(qū)間（-∞，∞），能量為有限值的信號稱為能量信號，滿足條件：

一般持續(xù)時間有限的瞬態(tài)信號是能量信號。瞬態(tài)信號能量信號與功率信號（1）25能量信號與功率信號（2）b)功率信號在所分析的區(qū)間（-∞，∞），能量不是有限值．此時，研究信號的平均功率更為合適。一般持續(xù)時間無限的信號都屬于功率信號。復(fù)雜周期信號噪聲信號(平穩(wěn))26時限與頻限信號a)時域有限信號在時間段(t1，t2)內(nèi)有定義，其外恒等于零．b)頻域有限信號在頻率區(qū)間(f1，f2)內(nèi)有定義，其外恒等于零．三角脈沖信號正弦波幅值譜信號的分類（4）27信號的分類（5）物理可實(shí)現(xiàn)信號與物理不可實(shí)現(xiàn)信號a)物理可實(shí)現(xiàn)信號：又稱為單邊信號，滿足條件：t＜0時，x(t)=0，即在時刻小于零的一側(cè)全為零。b)物理不可實(shí)現(xiàn)信號：在事件發(fā)生前(t<0)就預(yù)知信號。28一維確定性信號確定信號與隨機(jī)信號要點(diǎn)：區(qū)分方法：給定的自變量的值，是否可以唯一確定信號的取值。任意給定一個自變量的值，如果可以唯一確定其信號和取值，則該信號是確定信號，否則，如果取值是不確定的隨機(jī)值，則是隨機(jī)信號。周期信號與非周期信號要點(diǎn)：關(guān)系式是否成立？周期信號的周期T（正值）：最小T值非周期信號可以視為是周期無窮大的周期信號。時限信號和頻限信號要點(diǎn)：一個信號不可能在時域和頻域上都是有限的29信號分類表

自變量t（多為時間）函數(shù)值

f(t)信號分類

連續(xù)（連續(xù)時間信號）連續(xù)模擬信號離散量化信號

離散（離散時間信號）連續(xù)抽樣（采樣）信號離散數(shù)字信號

第1章概論1.1測試、信息、消息和信號1.2測試信號分類1.3信號分析與信號處理1.4信號與測試系統(tǒng)30信號分析31信號分析信號分析是將一復(fù)雜信號分解為若干簡單信號分量疊加，并以這些分量的組成情況去考察信號的特性。

信號分析的基本方法把頻率作為信號的自變量，在頻域里進(jìn)行信號的頻譜分析

信號的頻譜有兩類幅度譜和相位譜32信號處理及其目的信號處理對信號進(jìn)行某種加工變換或運(yùn)算（濾波、相關(guān)、卷積、變換、增強(qiáng)、壓縮、估計、識別等），獲取信息或變換為人們希望的另一種信號形式。

信號處理的目的去偽存真特征抽取編碼解碼去除信號中冗余的和次要的成分。把信號變成易于進(jìn)行分析和識別的形式。把信號變成易于傳輸、交換與存儲的形式（編碼），或從編碼信號中恢復(fù)出原始信號（解碼）。33數(shù)字信號處理的步驟模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC數(shù)字信號處理DSP數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC自變量(時間)和幅值同時離散化變換域分析、數(shù)字濾波、識別、合成數(shù)字信號還原為模擬信號保證信息不丟失的理論基礎(chǔ)是：采樣定理低通抗混疊濾波信號重構(gòu)低通濾波見書P12，P108計算機(jī)的普及和高速處理能力，引起了數(shù)字信號的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了數(shù)字信號技術(shù)的發(fā)展數(shù)字系統(tǒng)的工作具有可預(yù)測性和可重復(fù)性。

模擬系統(tǒng)是由元器件搭建而成的電路，制造誤差范圍大，特性隨溫度變化體積小，功耗低。移動手機(jī)的發(fā)展—高度的靈活性：—修改程序中的一些語句就能修改系統(tǒng)34數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)蜂窩電話聲納處理衛(wèi)星圖像分析語音識別語音合成文字識別遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)數(shù)字測繪35DSP的應(yīng)用實(shí)例條形碼閱讀數(shù)字?jǐn)z像機(jī)加密磁共振成像掃描高清晰度電視地震波分析機(jī)載輕載荷信號處理音樂合成

第1章概論1.1測試、信息、消息和信號1.2測試信號分類1.3信號分析與信號處理1.4信號與測試系統(tǒng)3637測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)為了精確地測量出被測對象中人們所需要的某些特征性參數(shù)信號，一般由傳感器、中間