第1章信号处理理论技巧.pptx

第1章信号处理理论何宾2014.11参考书目何宾，XilinxFPGA数字信号处理权威指南-从HDL到模型和C的描述，北京：清华大学出版社，2014.11本章概述本章介绍信号处理中所涉及到一些基本问题，其中包括：信号定义及分类信号增益及衰减信号的失真及测量噪声及其处理方法模拟信号及其处理方法数字信号处理关键问题通信信号软件处理方法信号定义及分类信号是指一个可测量的，能够以某种形式携带信息，其范围随时间的变化量。语音是人们相互之间发送信息的声音信号；心跳信号(ECG)包含着一个心脏健康的信息(开/关状态!)。信号定义及分类为了将一个真实的信号转换成一个合适的电压，或者从一个合适的电压转换成一个信号，要求在系统内必须包含一个传感器/驱动器和加一个信号调理电路调节器。声音-麦克风转成相对应的电信号；压力-压电陶瓷转化为相对应的电信号；光-光传感器转化为相对应的电信号；振动-加速度传感器转化为相对应的电信号。信号定义及分类电压是一个传感器的输出，它是一个感应到的模拟信号。根据电子系统处理的信号的要求，将绝大多数信号转换成容易处理的模拟电压量，该电压信号量是对被测量信号所携带信息的编码。比如：心脏的运动和它的电活动是用一个电极来感知的。电极产生一个很小的电压(~10-6伏)，然后被放大。语音信号引起空气压力变得稀薄和收缩。空气压力的变化可以通过一个麦克风来感知测量，麦克风用一个磁铁和一个线圈产生电压，这是对模拟空气的压力的模拟。信号定义及分类如下图，麦克风的振动膜连接到一个小磁铁上，当它移进移出线圈时感应出电流。感应之后产生一个电压信号，或者使用某种形式的磁带记录器，将电压记录下来。一旦一个信号被感知，接着便需要恢复该信号。这可以通过一个合适的驱动器加一个调理电路构成调理电路。比如：喇叭(声音)、发光二极管LED(光)、机械调节器(振动)等来实现。信号定义及分类信号放大增益与衰减与调节信号传感器的电压幅度非常小麦克风产生的电压量级为10-6伏特。ECG传感器和振动传感器也存在类似的情况。信号放大增益与衰减与调节在记录信号或者用对信号进行激励器重构之前，应该将信号线性放大到一个合适的值。这个合适的值通常用DB表示。比如：一个信号经过放大器放大了1000倍。通过放大器信号增加了60dB。其增益为60dB。表示为：(20log101000=60)。信号放大增益与衰减与调节一个系统，如果其输出是输入和系统传递函数的卷积，则这个系统可以被视为线性系统。通常对于一个线性系统来说，y(t)=f(x(t))，如果则叠加后得到：，（3.1），信号放大增益与衰减与调节测量系统线性的一种最简单的方法输入一个纯音调单频正弦波，如果在所有的频率上，输出只是一个在输入频率上的正弦纯音调信号(例如:没有谐波产生)，则系统是纯线性的。信号放大增益与衰减与调节信号动态范围的表示对于大的线性动态范围，放大量通常被表示为功率放大比率(Pout⁄Pin)的对数测量，因为P正比于∝V2（电压的平方），所以:如果放大倍数量A=1000,则功率放大是60dB。类似,1000倍的衰减(增益为0.001)对应于–60dB的增益或者60dB的衰减。失真及测量放大器失真当一个信号在经过放大器后，如果包含引入了其它频率分量的信号所不希望的瑕疵，就被称为放大器的非线性。非线性是放大信号时最不希望看到的结果，因为非线性失真导致真实的信号所包含的信息发生了畸变，这对后续的信号处理带来了很大的麻烦。失真及测量信号的失真表示失真及测量上面的放大器是非线性的，输出信号实际上是输入信号加上三次谐波，用下式表示：与噪声不同，实际上不可能消除失真。因此，只能使用合适的器件将失真降到最小。失真及测量非线性可以在数字信号处理DSP中引起一系列的问题，比如:丢失或者屏蔽了想要的信号分量。每个放大器在一定程度上都是非线性的。然而，如果对于所应用的信号的频率范围内，非线性信号的率电平非常低，则对于实际的实现目的，该放大器可以认为是线性的。在上面的例子里，非线性二次谐波分量占到基波电压的1/5（功率的1/25），这是非常高的，并且放大器至少是“非常”非线性的。根据系统的线性性，也可以将系统被分类为弱非线性。信号谐波失真谐波失真是一种发生在输入信号频率的谐波上的失真，其频率为输入信号频率的整数倍。谐波产生的原因是器件的输入输出电压特性是非线性的，例如，它遵循二阶多项式：谐波失真是由非线性的传递函数产生。如果假定传递函数是平稳的，例如，不随时间变化，而且输入是周期的，则输出是一个周期信号。信号谐波失真在频域内，周期信号的傅立叶级数由基波和谐波组成。对于一个周期输入，无论Vin和Vout之间是怎样一种函数关系,只要不随时间变化，都没有出现非谐波失真。对于输入信号：根据上式,得到频率分量：cos(2πft)：基波分量cos(2π