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數(shù)字信號(hào)處理第三版（姚天任著）課后答案下載
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數(shù)字信號(hào)處理第三版（姚天任著）：內(nèi)容簡介
《數(shù)字信號(hào)處理》這門課介紹的是：將事物的運(yùn)動(dòng)變化轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮當(dāng)?shù)字，并用計(jì)算的方法從中提取有用的信息，以滿足我們實(shí)際應(yīng)用的需求。
本定義來自《數(shù)字信號(hào)處理》楊毅明著，由機(jī)械工業(yè)出版社2012年發(fā)行。
大部分信號(hào)的初始形態(tài)是事物的運(yùn)動(dòng)變化，為了測量它們和處理它們，先要用傳感器把它們的特征轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，等到這些電信號(hào)處理完后，再把它們轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兡芸匆�、能聽見或能利用的形態(tài)。
數(shù)字信號(hào)處理前后需要一些輔助電路，它們和數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。圖1是典型的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，它由7個(gè)單元組成。
初始信號(hào)代表某種事物的運(yùn)動(dòng)變換，它經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元可變?yōu)殡娦盘?hào)。例如聲波，它經(jīng)過麥克風(fēng)后就變?yōu)殡娦盘?hào)。 又如壓力，它經(jīng)壓力傳感器后變?yōu)殡娦盘?hào)。電信號(hào)可視為許多頻率的`正弦波的組合。
低通濾波單元濾除信號(hào)的部分高頻成分，防止模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)失去原信號(hào)的基本特征。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元每隔一段時(shí)間測量一次模擬信號(hào)，并將測量結(jié)果用二進(jìn)制數(shù)表示。
數(shù)字信號(hào)處理單元實(shí)際上是一個(gè)計(jì)算機(jī)，它按照指令對(duì)二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。例如，將聲波信號(hào)與一個(gè)高頻正弦波信號(hào)相乘，可實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制。實(shí)際上，數(shù)字信號(hào)往往還要變回模擬信號(hào)，才能發(fā)揮它的作用。例如，無線電是電磁波通過天線向外發(fā)射的，這時(shí)的電磁波只能是模擬信號(hào)。
數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將處理后的數(shù)字信號(hào)變?yōu)檫B續(xù)時(shí)間信號(hào)，這種信號(hào)的特點(diǎn)是一段一段的直線相連，如圖2所示，有很多地方的變化不平滑。例如，調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)，變成模擬信號(hào)后才能送往天線，通過天線就可以向外發(fā)射了。低通濾波單元有平均的作用，不平滑的信號(hào)經(jīng)低通濾波后，可以變得比較平滑。
平滑的信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元后，就變成某種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)變化。例如揚(yáng)聲器，它可將電波變?yōu)槁暡�。又如天線，它可將電流變?yōu)殡姶挪�。電磁波是一種互相變化的電場和磁場，可以在空間中以波的形式快速移動(dòng)。
圖3 五個(gè)單元的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)
圖3 五個(gè)單元的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)
若只考慮電信號(hào)的處理過程，數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)可看作由五個(gè)單元組成，如圖3所示。
如果把低通濾波和模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換看作一個(gè)單元，則數(shù)字信號(hào)處理也可看作由三個(gè)單元組成，如圖4所示。
數(shù)字信號(hào)處理第三版（姚天任著）：應(yīng)用
廣義來說，數(shù)字信號(hào)處理是研究用數(shù)字方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、濾波、檢測、調(diào)制、解調(diào)以及快速算法的一門技術(shù)學(xué)科。但很多人認(rèn)為：數(shù)字信號(hào)處理主要是研究有關(guān)數(shù)字濾波技術(shù)、離散變換快速算法和譜分析方法。隨著數(shù)字電路與系統(tǒng)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)也相應(yīng)地得到發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。
數(shù)字控制、運(yùn)動(dòng)控制方面的應(yīng)用主要有磁盤驅(qū)動(dòng)控制、引擎控制、激光打印機(jī)控制、噴繪機(jī)控制、馬達(dá)控制、電力系統(tǒng)控制、機(jī)器人控制、高精度伺服系統(tǒng)控制、數(shù)控機(jī)床等。
面向低功耗、手持設(shè)備、無線終端的應(yīng)用主要有：手機(jī)、PDA、GPS、數(shù)傳電臺(tái)等。
數(shù)字濾波器
數(shù)字濾波器的實(shí)用型式很多，大略可分為有限沖激響應(yīng)型和無限沖激響應(yīng)型兩類，可用硬件和軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)。在硬件實(shí)現(xiàn)方式中，它由加法器、乘法器等單元所組成，這與電阻器、電感器和電容器所構(gòu)成的模擬濾波器完全不同。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)很容易用數(shù)字集成電路制成，顯示出體積小、穩(wěn)定性高、可程控等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)方法是借助于通用數(shù)字計(jì)算機(jī)按濾波器的設(shè)計(jì)算法編出程序進(jìn)行數(shù)字濾波計(jì)算。
傅里葉變換
1965年J.W.庫利和T.W.圖基首先提出離散傅里葉變換的快速算法，簡稱快速傅里葉變換，以FFT表示。自有了快速算法以后,離散傅里葉變換的運(yùn)算次數(shù)大為減少，使數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)成為可能�？焖俑道锶~變換還可用來進(jìn)行一系列有關(guān)的快速運(yùn)算，如相關(guān)、褶積、功率譜等運(yùn)算�？焖俑道锶~變換可做成專用設(shè)備，也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)。與快速傅里葉變換相似，其他形式的變換，如沃爾什變換、數(shù)論變換等也可有其快速算法。
譜分析
在頻域中描述信號(hào)特性的一種分析方法，不僅可用于確定性信號(hào)，也可用于隨機(jī)性信號(hào)。所謂確定性信號(hào)可用既定的時(shí)間函數(shù)來表示，它在任何時(shí)刻的值是確定的;隨機(jī)信號(hào)則不具有這樣的特性，它在某一時(shí)刻的值是隨機(jī)的。因此，隨機(jī)信號(hào)處理只能根據(jù)隨機(jī)過程理論，利用統(tǒng)計(jì)方法來進(jìn)行分析和處理，如經(jīng)常利用均值、均方值、方差、相關(guān)函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等統(tǒng)計(jì)量來描述隨機(jī)過程的特征或隨機(jī)信號(hào)的特性。
實(shí)際上，經(jīng)常遇到的隨機(jī)過程多是平穩(wěn)隨機(jī)過程而且是各態(tài)歷經(jīng)的，因而它的樣本函數(shù)集平均可以根據(jù)某一個(gè)樣本函數(shù)的時(shí)間平均來確定。平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)本身雖仍是不確定的，但它的相關(guān)函數(shù)卻是確定的。在均值為零時(shí),它的相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換或Z變換恰恰可以表示為隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度函數(shù)，一般簡稱為功率譜。這一特性十分重要，這樣就可以利用快速變換算法進(jìn)行計(jì)算和處理。
在實(shí)際中觀測到的數(shù)據(jù)是有限的。這就需要利用一些估計(jì)的方法，根據(jù)有限的實(shí)測數(shù)據(jù)估計(jì)出整個(gè)信號(hào)的功率譜。針對(duì)不同的要求，如減小譜分析的偏差，減小對(duì)噪聲的靈敏程度，提高譜分辨率等。已提出許多不同的譜估計(jì)方法。在線性估計(jì)方法中，有周期圖法，相關(guān)法和協(xié)方差法;在非線性估計(jì)方法中,有最大似然法,最大熵法，自回歸滑動(dòng)平均信號(hào)模型法等。譜分析和譜估計(jì)仍在研究和發(fā)展中。
數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。就所獲取信號(hào)的來源而言，有通信信號(hào)的處理，雷達(dá)信號(hào)的處理，遙感信號(hào)的處理，控制信號(hào)的處理，生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理，地球物理信號(hào)的處理，振動(dòng)信號(hào)的處理等。若以所處理信號(hào)的特點(diǎn)來講，又可分為語音信號(hào)處理，圖像信號(hào)處理，一維信號(hào)處理和多維信號(hào)處理等。
語音信號(hào)處理
語音信號(hào)處理是信號(hào)處理中的重要分支之一。它包括的主要方面有：語音的識(shí)別，語言的理解，語音的'合成,語音的增強(qiáng),語音的數(shù)據(jù)壓縮等。各種應(yīng)用均有其特殊問題。語音識(shí)別是將待識(shí)別的語音信號(hào)的特征參數(shù)即時(shí)地提取出來，與已知的語音樣本進(jìn)行匹配，從而判定出待識(shí)別語音信號(hào)的音素屬性。關(guān)于語音識(shí)別方法，有統(tǒng)計(jì)模式語音識(shí)別，結(jié)構(gòu)和語句模式語音識(shí)別，利用這些方法可以得到共振峰頻率、音調(diào)、嗓音、噪聲等重要參數(shù)，語音理解是人和計(jì)算機(jī)用自然語言對(duì)話的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。語音合成的主要目的是使計(jì)算機(jī)能夠講話。為此，首先需要研究清楚在發(fā)音時(shí)語音特征參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，然后利用適當(dāng)?shù)姆椒M發(fā)音的過程，合成為語言。其他有關(guān)語言處理問題也各有其特點(diǎn)。語音信號(hào)處理是發(fā)展智能計(jì)算機(jī)和智能機(jī)器人的基礎(chǔ)，是制造聲碼器的依據(jù)。語音信號(hào)處理是迅速發(fā)展中的一項(xiàng)信號(hào)處理技術(shù)。
圖像信號(hào)處理
圖像信號(hào)處理的應(yīng)用已滲透到各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。譬如，圖像處理技術(shù)可用于研究粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡、生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、地貌的狀態(tài)、氣象云圖的分析、宇宙星體的構(gòu)成等。在圖像處理的實(shí)際應(yīng)用中,獲得較大成果的有遙感圖像處理技術(shù)、斷層成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和景物分析技術(shù)等。根據(jù)圖像信號(hào)處理的應(yīng)用特點(diǎn)，處理技術(shù)大體可分為圖像增強(qiáng)、恢復(fù)、分割、識(shí)別、編碼和重建等幾個(gè)方面。這些處理技術(shù)各具特點(diǎn)，且正在迅速發(fā)展中。
振動(dòng)信號(hào)處理
機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的分析與處理技術(shù)已應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、船只、機(jī)械設(shè)備、房屋建筑、水壩設(shè)計(jì)等方面的研究和生產(chǎn)中。振動(dòng)信號(hào)處理的基本原理是在測試體上加一激振力，做為輸入信號(hào)。在測量點(diǎn)上監(jiān)測輸出信號(hào)。輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之比稱為由測試體所構(gòu)成的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(或稱轉(zhuǎn)移函數(shù))。根據(jù)得到的傳遞函數(shù)進(jìn)行所謂模態(tài)參數(shù)識(shí)別，從而計(jì)算出系統(tǒng)的模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼等主要參數(shù)。這樣就建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)而可以做出結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些工作均可利用數(shù)字處理器來進(jìn)行。這種分析和處理方法一般稱為模態(tài)分析。實(shí)質(zhì)上，它就是信號(hào)處理在振動(dòng)工程中所采用的一種特殊方法。
地球物理處理
為了勘探地下深處所儲(chǔ)藏的石油和天然氣以及其他礦藏，通常采用地震勘探方法來探測地層結(jié)構(gòu)和巖性。這種方法的基本原理是在一選定的地點(diǎn)施加人為的激震，如用爆炸方法產(chǎn)生一振動(dòng)波向地下傳播,遇到地層分界面即產(chǎn)生反射波,在距離振源一定遠(yuǎn)的地方放置一列感受器，接收到達(dá)地面的反射波。從反射波的延遲時(shí)間和強(qiáng)度來判斷地層的深度和結(jié)構(gòu)。感受器所接收到的地震記錄是比較復(fù)雜的，需要處理才能進(jìn)行地質(zhì)解釋。處理的方法很多，有反褶積法，同態(tài)濾波法等，這是一個(gè)尚在努力研究的問題。
生物醫(yī)學(xué)處理
信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)方面主要是用來輔助生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論的研究和用于診斷檢查和監(jiān)護(hù)。例如，用于細(xì)胞學(xué)、腦神經(jīng)學(xué)、心血管學(xué)、遺傳學(xué)等方面的基礎(chǔ)理論研究。人的腦神經(jīng)系統(tǒng)由約 100億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞所組成，是一個(gè)十分復(fù)雜而龐大的信息處理系統(tǒng)。在這個(gè)處理系統(tǒng)中，信息的傳輸與處理是并列進(jìn)行的，并具有特殊的功能，即使系統(tǒng)的某一部分發(fā)生障礙，其他部分仍能工作，這是計(jì)算機(jī)所做不到的。因此，關(guān)于人腦的信息處理模型的研究就成為基礎(chǔ)理論研究的重要課題。此外，神經(jīng)細(xì)胞模型的研究，染色體功能的研究等等，都可借助于信號(hào)處理的原理和技術(shù)來進(jìn)行。
信號(hào)處理用于診斷檢查較為成功的實(shí)例，有腦電或心電的自動(dòng)分析系統(tǒng)、斷層成像技術(shù)等。斷層成像技術(shù)是診斷學(xué)領(lǐng)域中的重大發(fā)明。X射線斷層的基本原理是X射線穿過被觀測物體后構(gòu)成物體的二維投影。接收器接收后，再經(jīng)過恢復(fù)或重建，即可在一系列的不同方位計(jì)算出二維投影,經(jīng)過運(yùn)算處理即取得實(shí)體的斷層信息,從而大屏幕上得到斷層造像。信號(hào)處理在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用正處于迅速發(fā)展階段。
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