本科課程輔導(dǎo)
發(fā)布時(shí)間：2023-10-08 11:37
信號(hào)處理是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換或變換的過(guò)程，以觀察直接觀察無(wú)法看到的東西。通過(guò)信號(hào)處理，工程師和科學(xué)家可以分析、優(yōu)化和調(diào)整科學(xué)數(shù)據(jù)、音頻流、圖像和視頻等信號(hào)。本文將充分詳細(xì)地介紹信號(hào)處理的基本原理。
公司每年花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元購(gòu)買測(cè)試設(shè)備，以便工程師和技術(shù)人員記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。 這種對(duì)測(cè)試設(shè)備和人力的投資只有一個(gè)目的：了解其產(chǎn)品在真實(shí)世界中的表現(xiàn)。 只有通過(guò)獲取和分析高質(zhì)量的客觀數(shù)據(jù)，才能了解產(chǎn)品的性能。但數(shù)據(jù)本身只是第一步。 要理解數(shù)據(jù)，就必須對(duì)其進(jìn)行分析。 分析包括幾個(gè)要素：
觀察--記錄和審查數(shù)據(jù)。
例如，"當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?100 增至 200 時(shí)，傳動(dòng)軸上的扭矩增加了多少 "或 "電流與電壓的關(guān)系如何變化"。
上述方法都是直接觀察法。不同類型的傳感器通過(guò)記錄機(jī)器或流程的反應(yīng)來(lái)控制機(jī)器或流程。 然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行審查，并對(duì)不同運(yùn)行階段的參數(shù)進(jìn)行比較。不過(guò)，還有另一種數(shù)據(jù)分析工具：
信號(hào)處理--轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，使我們能夠看到通過(guò)直接觀察或比較無(wú)法看到的東西。
信號(hào)處理(也稱為數(shù)字信號(hào)處理)可以有多種形式，具體取決于應(yīng)用。 在數(shù)據(jù)采集(DAQ)領(lǐng)域，信號(hào)處理用于分析測(cè)量數(shù)據(jù)。
信號(hào)處理歷來(lái)只在模擬領(lǐng)域進(jìn)行。例如，使用電阻器、電容器和電感器等分立元件開發(fā)信號(hào)濾波器。當(dāng)然，這種方式現(xiàn)在仍在使用，但自 20 世紀(jì)末以來(lái)，各種數(shù)據(jù)的數(shù)字化程度越來(lái)越高。因此，信號(hào)處理不可避免地從模擬領(lǐng)域轉(zhuǎn)向數(shù)字領(lǐng)域。
如今，數(shù)字信號(hào)處理主要由軟件完成。信號(hào)處理軟件可在臺(tái)式機(jī)處理器、視頻卡或智能設(shè)備上運(yùn)行。對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用，它可以在專用的 DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)、ASIC(專用集成電路)或 FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)以及高性能大型機(jī)中運(yùn)行。
最早的 DSP 芯片開發(fā)于 20 世紀(jì) 60 年代，用于改進(jìn)軍事應(yīng)用中的雷達(dá)和聲納。后來(lái)，它們被用于石油勘探等地球物理應(yīng)用、數(shù)據(jù)壓縮等空間應(yīng)用、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)和磁共振成像(MRI)等醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用以及人體掃描。
如今，即使是筆記本電腦也比過(guò)去的主流系統(tǒng)功能強(qiáng)大得多，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)和后處理地執(zhí)行各種信號(hào)處理功能。
許多系統(tǒng)使用主機(jī)和 DSP 處理相結(jié)合的方式來(lái)執(zhí)行信號(hào)處理功能。DSP 硬件速度非常快，可用于一般功能。例如，DSP 可用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 濾波、組合數(shù)字比特流等。它們可以非常快速地處理大量數(shù)據(jù)。
信號(hào)處理是研究信號(hào)處理和分析以獲取有用信息的一個(gè)重要領(lǐng)域。本文將探討信號(hào)處理的一些基本技術(shù)。
1.濾波
濾波是一種信號(hào)處理技術(shù)，它將有用的信號(hào)與不需要的失真和噪音分離開來(lái)。濾波技術(shù)被廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理中，以去除信號(hào)中的噪音和干擾，提高信號(hào)質(zhì)量并防止數(shù)據(jù)丟失。濾波器有多種類型，包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和陷波濾波器。
低通濾波器用于通過(guò)低頻信號(hào)，阻斷高頻信號(hào)。高通濾波器則在通過(guò)高頻信號(hào)的同時(shí)阻斷低頻信號(hào)。帶通濾波器允許一定頻率范圍的信號(hào)通過(guò)，而陷波濾波器則阻隔一定頻率或頻率范圍的信號(hào)。
濾波是音頻處理、圖像處理和通信系統(tǒng)等許多應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。
2.傅立葉分析
傅立葉分析是一種數(shù)學(xué)技術(shù)，用于將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域。傅立葉變換可提供信號(hào)頻率成分的信息，如振幅和相位。傅立葉分析常用于信號(hào)處理中的頻譜分析、濾波和信號(hào)壓縮。
傅立葉變換可用于將信號(hào)分解為各個(gè)頻率分量。這樣，我們就可以在頻域內(nèi)分析信號(hào)，并識(shí)別構(gòu)成信號(hào)的頻率成分。傅里葉分析被廣泛應(yīng)用于音頻和視頻壓縮、語(yǔ)音識(shí)別和圖像處理等領(lǐng)域。
3.小波分析
小波分析是一種將信號(hào)分解成不同頻率成分的信號(hào)處理方法。與只提供信號(hào)頻率成分信息的傅立葉分析不同，小波分析同時(shí)提供高頻和低頻的信息。小波分析常用于信號(hào)失真、壓縮和特征提取。
在信號(hào)包含高頻和低頻成分的應(yīng)用中，小波分析尤其有用。例如，在音頻處理中，小波分析可用于將信號(hào)中的高頻成分(如鼓聲和低音)與低頻成分(如低音和鼓聲)分離開來(lái)。
4.時(shí)頻分析
時(shí)頻分析是一種信號(hào)處理技術(shù)，包括時(shí)域和頻域信號(hào)分析。時(shí)頻分析有助于監(jiān)測(cè)信號(hào)隨時(shí)間的變化，并識(shí)別頻率成分。時(shí)頻分析常用于語(yǔ)音和聲音處理、雷達(dá)成像和生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理。
時(shí)頻分析比單獨(dú)的傅立葉分析或波形分析能提供更詳細(xì)的信號(hào)分析。通過(guò)在時(shí)域和頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析，我們可以檢測(cè)信號(hào)隨時(shí)間的變化，并跟蹤信號(hào)的頻率成分。
5.自適應(yīng)信號(hào)處理
自適應(yīng)信號(hào)處理是一種信號(hào)處理技術(shù)，通過(guò)修改信號(hào)處理算法來(lái)適應(yīng)不斷變化的信號(hào)環(huán)境。自適應(yīng)信號(hào)處理通常用于電信系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理以及語(yǔ)音和音頻處理。自適應(yīng)信號(hào)處理可用于提高處理信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。
自適應(yīng)信號(hào)處理算法可以適應(yīng)信號(hào)環(huán)境的變化，如噪聲電平或信號(hào)特征的變化。這使得自適應(yīng)信號(hào)處理算法比固定信號(hào)處理算法更加穩(wěn)健和靈活。
總之，信號(hào)處理是一個(gè)廣泛而有趣的領(lǐng)域，涉及對(duì)信號(hào)的處理和分析，以獲取有用的信息。信號(hào)處理和信號(hào)處理技術(shù)可用于獲取以下有用信息。
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