信号处理在实际生活中的运用.doc

1、广 义 来 说 ， 数 字 信 号 处 理 是 研 究 用 数 字 方 法 对 信 号 进 行 分 析 、 变 换 、 滤 波 、检 测 、 调 制 、 解 调 以 及 快 速 算 法 的 一 门 技 术 学 科 。 但 很 多 人 认 为 ： 数 字 信 号处 理 主 要 是 研 究 有 关 数 字 滤 波 技 术 、 离 散 变 换 快 速 算 法 和 谱 分 析 方 法 。 随 着数 字 电 路 与 系 统 技 术 以 及 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 数 字 信 号 处 理 技 术 也 相 应 地 得到 发 展 ， 其 应 用 领 域 十 分 广 泛 。 数 字 滤 波 器数 字

2、 滤 波 器 的 实 用 型 式 很 多 ， 大 略 可 分 为 有 限 冲 激 响 应 型 和 无 限 冲 激 响应 型 两 类 ， 可 用 硬 件 和 软 件 两 种 方 式 实 现 。 在 硬 件 实 现 方 式 中 ， 它 由 加 法 器 、乘 法 器 等 单 元 所 组 成 ， 这 与 电 阻 器 、 电 感 器 和 电 容 器 所 构 成 的 模 拟 滤 波 器 完全 不 同 。 数 字 信 号 处 理 系 统 很 容 易 用 数 字 集 成 电 路 制 成 ， 显 示 出 体 积 小 、 稳定 性 高 、 可 程 控 等 优 点 。 数 字 滤 波 器 也 可 以 用 软 件 实

3、 现 。 软 件 实 现 方 法 是 借助 于 通 用 数 字 计 算 机 按 滤 波 器 的 设 计 算 法 编 出 程 序 进 行 数 字 滤 波 计 算 。 离 散 傅 里 叶 变 换 的 快 速 算 法1965 年 J.W.库 利 和 T.W.图 基 首 先 提 出 离 散 傅 里 叶 变 换 的 快 速 算 法 ，简 称 快 速 傅 里 叶 变 换 ， 以 FFT 表 示 。 自 有 了 快 速 算 法 以 后 ,离 散 傅 里 叶 变 换的 运 算 次 数 大 为 减 少 ， 使 数 字 信 号 处 理 的 实 现 成 为 可 能 。 快 速 傅 里 叶 变 换 还可 用 来 进

4、行 一 系 列 有 关 的 快 速 运 算 ， 如 相 关 、 褶 积 、 功 率 谱 等 运 算 。 快 速 傅里 叶 变 换 可 做 成 专 用 设 备 ， 也 可 以 通 过 软 件 实 现 。 与 快 速 傅 里 叶 变 换 相 似 ，其 他 形 式 的 变 换 ， 如 沃 尔 什 变 换 、 数 论 变 换 等 也 可 有 其 快 速 算 法 。 谱 分 析在 频 域 中 描 述 信 号 特 性 的 一 种 分 析 方 法 ， 不 仅 可 用 于 确 定 性 信 号 ， 也 可用 于 随 机 性 信 号 。 所 谓 确 定 性 信 号 可 用 既 定 的 时 间 函 数 来 表 示

5、， 它 在 任 何 时刻 的 值 是 确 定 的 ； 随 机 信 号 则 不 具 有 这 样 的 特 性 ， 它 在 某 一 时 刻 的 值 是 随 机的 。 因 此 ， 随 机 信 号 处 理 只 能 根 据 随 机 过 程 理 论 ， 利 用 统 计 方 法 来 进 行 分 析和 处 理 ， 如 经 常 利 用 均 值 、 均 方 值 、 方 差 、 相 关 函 数 、 功 率 谱 密 度 函 数 等 统计 量 来 描 述 随 机 过 程 的 特 征 或 随 机 信 号 的 特 性 。 实 际 上 ， 经 常 遇 到 的 随 机 过 程 多 是 平 稳 随 机 过 程 而 且 是 各 态

6、历 经 的 ， 因而 它 的 样 本 函 数 集 平 均 可 以 根 据 某 一 个 样 本 函 数 的 时 间 平 均 来 确 定 。 平 稳 随机 信 号 本 身 虽 仍 是 不 确 定 的 ， 但 它 的 相 关 函 数 却 是 确 定 的 。 在 均 值 为 零 时 ,它的 相 关 函 数 的 傅 里 叶 变 换 或 Z 变 换 恰 恰 可 以 表 示 为 随 机 信 号 的 功 率 谱 密 度 函数 ， 一 般 简 称 为 功 率 谱 。 这 一 特 性 十 分 重 要 ， 这 样 就 可 以 利 用 快 速 变 换 算 法进 行 计 算 和 处 理 。 在 实 际 中 观 测 到

7、的 数 据 是 有 限 的 。 这 就 需 要 利 用 一 些 估 计 的 方 法 ， 根 据有 限 的 实 测 数 据 估 计 出 整 个 信 号 的 功 率 谱 。 针 对 不 同 的 要 求 ， 如 减 小 谱 分 析的 偏 差 ， 减 小 对 噪 声 的 灵 敏 程 度 ， 提 高 谱 分 辨 率 等 。 已 提 出 许 多 不 同 的 谱估 计 方 法 。 在 线 性 估 计 方 法 中 ， 有 周 期 图 法 ， 相 关 法 和 协 方 差 法 ； 在 非 线性 估 计 方 法 中 ,有 最 大 似 然 法 ,最 大 熵 法 ， 自 回 归 滑 动 平 均 信 号 模 型 法 等

8、。 谱分 析 和 谱 估 计 仍 在 研 究 和 发 展 中 。 数 字 信 号 处 理 的 应 用 领 域 十 分 广 泛 。 就 所 获 取 信 号 的 来 源 而 言 ， 有 通 信信 号 的 处 理 ， 雷 达 信 号 的 处 理 ， 遥 感 信 号 的 处 理 ， 控 制 信 号 的 处 理 ， 生 物 医学 信 号 的 处 理 ， 地 球 物 理 信 号 的 处 理 ， 振 动 信 号 的 处 理 等 。 若 以 所 处 理 信 号的 特 点 来 讲 ， 又 可 分 为 语 音 信 号 处 理 ， 图 像 信 号 处 理 ， 一 维 信 号 处 理 和 多 维信 号 处 理 等 。

9、 数 字 信 号 处 理 系 统无 论 哪 方 面 的 应 用 ， 首 先 须 经 过 信 息 的 获 取 或 数 据 的 采 集 过 程 得 到 所 需的 原 始 信 号 ， 如 果 原 始 信 号 是 连 续 信 号 ， 还 须 经 过 抽 样 过 程 使 之 成 为 离 散 信号 ， 再 经 过 模 数 转 换 得 到 能 为 数 字 计 算 机 或 处 理 器 所 接 受 的 二 进 制 数 字 信 号 。如 果 所 收 集 到 的 数 据 已 是 离 散 数 据 ， 则 只 须 经 过 模 数 转 换 即 可 得 到 二 进 制 数码 。 数 字 信 号 处 理 器 的 功 能 是

10、将 从 原 始 信 号 抽 样 转 换 得 来 的 数 字 信 号 按 照 一定 的 要 求 ， 例 如 滤 波 的 要 求 ， 加 以 适 当 的 处 理 ， 即 得 到 所 需 的 数 字 输 出 信 号 。经 过 数 模 转 换 先 将 数 字 输 出 信 号 转 换 为 离 散 信 号 ， 再 经 过 保 持 电 路 将 离 散 信号 连 接 起 来 成 为 模 拟 输 出 信 号 ， 这 样 的 处 理 系 统 适 用 于 各 种 数 字 信 号 处 理 的应 用 ， 只 不 过 专 用 处 理 器 或 所 用 软 件 有 所 不 同 而 已 。 语 音 信 号 处 理语 音 信 号

11、 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

12、 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 。

13、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 。 图 像 信 号 处 理图 像 信 号 处 理 的 应 用 已 渗 透 到 各 个 科 学 技 术 领 域 。 譬 如 ， 图 像 处 理 技 术可 用 于 研 究 粒 子 的 运 动 轨 迹 、 生 物 细 胞 的 结 构 、 地 貌 的 状 态 、 气 象 云 图 的 分析 、 宇 宙 星 体 的 构 成 等 。 在 图 像 处 理 的 实 际 应 用 中 ,获 得 较 大

14、成 果 的 有 遥 感图 像 处 理 技 术 、 断 层 成 像 技 术 、 计 算 机 视 觉 技 术 和 景 物 分 析 技 术 等 。 根 据图 像 信 号 处 理 的 应 用 特 点 ， 处 理 技 术 大 体 可 分 为 图 像 增 强 、 恢 复 、 分 割 、 识别 、 编 码 和 重 建 等 几 个 方 面 。 这 些 处 理 技 术 各 具 特 点 ， 且 正 在 迅 速 发 展 中 。 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

15、 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

16、 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 。 地 球 物 理 信 号 处 理为 了 勘 探 地 下 深 处 所 储 藏 的 石 油 和 天 然 气 以 及 其 他 矿 藏 ， 通 常 采 用 地 震勘 探 方 法 来 探 测 地 层 结 构 和 岩 性 。 这 种 方 法 的 基 本 原 理 是 在 一 选 定 的 地 点 施加 人 为 的 激 震 ， 如 用

17、 爆 炸 方 法 产 生 一 振 动 波 向 地 下 传 播 ,遇 到 地 层 分 界 面 即产 生 反 射 波 ,在 距 离 振 源 一 定 远 的 地 方 放 置 一 列 感 受 器 ， 接 收 到 达 地 面 的 反射 波 。 从 反 射 波 的 延 迟 时 间 和 强 度 来 判 断 地 层 的 深 度 和 结 构 。 感 受 器 所 接 收到 的 地 震 记 录 是 比 较 复 杂 的 ， 需 要 处 理 才 能 进 行 地 质 解 释 。 处 理 的 方 法 很 多 ，有 反 褶 积 法 ， 同 态 滤 波 法 等 ， 这 是 一 个 尚 在 努 力 研 究 的 问 题 。 生 物

18、 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

19、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

20、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 。 数 字 信 号 处 理 在 其 他 方 面 还 有 多 种 用 途 ， 如 雷 达 信 号 处 理 、 地 学 信 号 处理 等 ， 它 们 虽 各 有 其 特 殊 要 求 ， 但 所 利 用 的 基 本 技 术 大 致 相 同 。 在 这 些 方 面 ，数 字 信 号 处 理 技 术 起 着 主 要 的 作 用 。