2012信號檢測講稿1.ppt

1、信號檢測與處理(信號檢測與估計),第一部分隨機信號分析 隨機變量與特征函數(shù),隨機過程統(tǒng)計特性 、平穩(wěn)性、歷經(jīng)性 隨機過程通過線性、非線性系統(tǒng)、,第二部分匹配濾波 傅里葉變換及其應(yīng)用、輸出信噪比最大的線性濾波器、匹配濾波器、 相關(guān)接收與匹配濾波器、白化濾波處理方法,第三部分信號檢測 信號檢測準(zhǔn)則、二元信號檢測、檢測器的性能、多元信號檢測 序貫檢測、二元已知信號的檢測、隨機參量信號檢測,第四部分信號估計 參量估計貝葉斯估計、最大似然估計、估計量的性質(zhì)、 線性最小均方誤差估計 波形估計波形的簡單估計、維納濾波、卡爾曼濾波,信號檢測與估計 緒 論,緒 論電子信息科學(xué)學(xué)科淺談、課程內(nèi)容及安排、信號檢測與

2、估計概述,信號檢測與估計 緒 論,1 電子學(xué)專業(yè)淺談,1、電子學(xué)研究的內(nèi)容,信 號,系 統(tǒng),電信號 非電類信號 模擬信號 數(shù)字信號 離散信號 連續(xù)信號 常規(guī)信號 奇異信號 確定性信號 隨機信號 瞬/穩(wěn)態(tài)、參量,理論模型 實際電路 (分立元件、IC) 模擬系統(tǒng) 數(shù)字系統(tǒng) 線性非線性系統(tǒng) 混合系統(tǒng)(非電量模數(shù)) 儀器儀表 監(jiān)控系統(tǒng) 軟件模塊、算法 虛擬系統(tǒng) 機械電子、電力電子、光電子、微電子,聯(lián) 系,概括講，電子學(xué)研究內(nèi)容 信號、系統(tǒng)及其聯(lián)系,信號檢測與估計 緒 論,信號 系統(tǒng) 聯(lián)系,* 已知輸入、系統(tǒng)（模型），求輸出信號,舉例：,* 已知輸入信號和輸出信號，求（設(shè)計和實現(xiàn)）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),* 已知系

3、統(tǒng)函數(shù)和輸出信號，求輸入信號, 拿移動電話來說，已知輸入是高頻信號、輸出是語聲信息，移動電話的內(nèi)部系統(tǒng)？, 已知3V入，小燈泡，輸出I=？光照度=？ 再如,已知10 KV輸入電壓，變壓器，輸出=？, 已知雷達(dá)模型、并知輸出結(jié)果是空中有飛機，輸入（發(fā)射）信號=？時效果最好 ！,目的,2、電子學(xué)要解決的問題,需要基礎(chǔ)知識（通過學(xué)習(xí)、研究、實驗實踐等獲得）,已知信號與系統(tǒng)中的一部分內(nèi)容，求解未知部分。,具體化：信號可分為輸入信號與輸出信號，二者與系統(tǒng)的關(guān)系如圖：,要解決的問題:已知輸入信號、輸出信號或系統(tǒng)這三個要素中的兩個，求解第三個要素。,進(jìn)一步: 已知三要素中的一部分，求解所關(guān)心的部分。,* 已

4、知一部分，求另一部分：已知輸入、輸出、地層某些信息、一些先驗知識，求地層結(jié)構(gòu)、地下礦藏等,信號檢測與估計 緒 論,3、模擬電子系統(tǒng),例如：廣播電臺，輸入信號是語聲 ， 輸出信號是無線電波,收音機正好和廣播電臺相反,再如：雷達(dá)、通信系統(tǒng),應(yīng)討論的問題：,數(shù)、物、英、電路信號與系統(tǒng)、半導(dǎo)體基礎(chǔ)、電子測量信號檢測與估計 模擬電路（高低頻）、通信原理、電磁場、微波、天線、傳感器等 ASIC ，集成電路設(shè)計,不同信號的特性是什么？ 各種電路或系統(tǒng)對這些信號能起什么作用？（好、壞）,把電路或系統(tǒng)細(xì)分根據(jù)材料物理特性、選用材料制造D、T 、運放等器件（微電子） 利用D、T、IC 等設(shè)計硬件系統(tǒng)（電子工程）

5、研究高頻器件、高頻電路、天線 等（微波專業(yè)） 通信、控制 、機械電子、電力電子、儀器儀表,如何傳輸模擬信號？ 如何減小噪聲干擾？如何檢測信號是否存在？如何估計信號參數(shù)？,應(yīng)學(xué)的課程：,（系統(tǒng)模型）,如何求解未知部分？如何設(shè)計系統(tǒng)才能滿足要求？ ,信號檢測與估計 緒 論,4、數(shù)字電子系統(tǒng),例如： 加密器輸入是明文 ，輸出是加密后的暗碼,再如： 數(shù)字壓縮模塊，數(shù)字通信系統(tǒng)等,應(yīng)討論的內(nèi)容：,如何求解未知部分？如何設(shè)計系統(tǒng)才能滿足要求？ ,不同信號的特性是什么？各種器件、門電路或系統(tǒng)對這些信號能起什么作用？（好、壞）,如何傳輸數(shù)字信號？如何壓縮、解壓？如何存儲？如何減小噪聲干擾？如何檢錯、揪錯？,應(yīng)

6、學(xué)的課程： 數(shù)、物、英、半導(dǎo)體基礎(chǔ)、數(shù)字電路、脈沖電路、信號與系統(tǒng)、 數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)挖掘、器件學(xué)習(xí)（CPU、PLD、ASIC）、 VHDL ，計算機體系/語言、接口技術(shù),（系統(tǒng)模型、數(shù)字濾波器）,信號檢測與估計 緒 論,5、混合系統(tǒng)： 傳感器+模擬系統(tǒng)+數(shù)字系統(tǒng)+執(zhí)行機構(gòu),應(yīng)學(xué)的知識：放大、AGC、濾波、 ADCDAC、功放、 接口電路 傳感器 信號調(diào)理 伺服機構(gòu) 顯示材料（液晶、光敏材料） 機械制圖 ,輸入 A、D 其它類型 （如聲光等）,輸出 A、D 其它類型 （如顯示器等）,混合系統(tǒng),信號檢測與估計 緒 論,6、概括電子學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)方法,信號與系統(tǒng)的類型: 模擬/數(shù)字、離散/

7、連續(xù)、高頻/低頻、確定性/隨機性、線性/非線性、一路/多路,分析方法: 時域/頻/L/Z/H/小波/同態(tài)、瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)、確定性分析/統(tǒng)計處理、平滑/預(yù)測、零極點分析、端口分析、模擬/仿真、定性/定量、測試測量、實驗/實踐 ,學(xué)習(xí)方法：1) 學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識、學(xué)習(xí)信號特征、小系統(tǒng)特性、建立信號與小系統(tǒng)的 關(guān)系，建立必要的概念，掌握常規(guī)的小系統(tǒng)； 2) 模擬/仿真、實驗/實踐； 3) 由小系統(tǒng)到大系統(tǒng)學(xué)習(xí)，由簡單到復(fù)雜學(xué)習(xí)，由小到大設(shè)計系統(tǒng)， 從無到有創(chuàng)造/發(fā)明出一些東西來。,信號、系統(tǒng)、聯(lián)系,具體化,應(yīng)注意，電子學(xué)的知識面很廣，應(yīng)根據(jù)從事的專業(yè)，重點學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)的知識,概括講，分門別類學(xué)習(xí) ，掌握分

8、析方法。,（由淺入深，實踐實驗）,信號檢測與估計 緒 論,一、內(nèi)容簡介,信號處理基本原理及其應(yīng)用,著重討論隨機信號統(tǒng)計處理及其與電子系統(tǒng)的關(guān)系。,信號處理核心內(nèi)容：,頻譜分析(各種域變換分析)、信號檢測、信號估計,事前擬合和事后擬合,預(yù)測,歸納、辯識、識別,曲線（面）擬合,第三部分 信號檢測信號檢測準(zhǔn)則、二元信號檢測、檢測器的性能、多元信號檢測 序貫檢測、二元已知信號的檢測、隨機參量信號檢測,波形估計波形的簡單估計、維納濾波、卡爾曼濾波 ,第二部分 匹配濾波傅里葉變換的應(yīng)用、輸出信噪比最大的線性濾波器、 匹配濾波器、相關(guān)接收與匹配濾波器、白化濾波處理方法,第四部分 信號估計參量估計和波型估計

9、參量估計貝葉斯估計、最大似然估計、估計量的性質(zhì)、 線性最小均方誤差估計,第一部分 隨機信號分析隨機變量與特征函數(shù),隨機過程統(tǒng)計特性 、平穩(wěn)性、歷經(jīng)性 隨機過程通過線性、非線性系統(tǒng)、,2 信號檢測與估計概述,以前學(xué)習(xí)的是對 確定性信號進(jìn)行處理的一些基本方法,比如時域卷積、域變換分析等;現(xiàn)學(xué)的重點是對隨機信號處理的原理 和 方法,在一定范圍內(nèi)隨機變化的信號，比確定性信號、事件更切合實際。,聯(lián)系,其它補充內(nèi)容：線性代數(shù),信號檢測與估計 緒 論,二、信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域,探測、語音、圖象、視頻信號的分析和處理,通信工程、系統(tǒng)工程、模式識別、目標(biāo)辯識、地球物理工程、航空航天 海洋勘探、交通管理、環(huán)境工程、

10、生物醫(yī)學(xué)工程、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué),可以說，上至天體、天文；下至地表、地層， 復(fù)雜的如生命基因工程、簡單的如日常生活。 （概括講，工、農(nóng)、商、學(xué)、兵），都會用到信號處理的內(nèi)容,聲納、雷達(dá)信號的處理,信號檢測與估計 緒 論,三、前導(dǎo)課程 高等數(shù)學(xué)、隨機過程、線性代數(shù)、電路分析、信號與系統(tǒng)、模電/數(shù)電（包括高頻）、 數(shù)字信號處理（確定性）、電子測量等 （本課程可在本科高年級階段開設(shè)，在研究生階段更應(yīng)該學(xué)習(xí)、掌握基本內(nèi)容）,四、教材與參考書,教材：信號檢測與估計國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 許樹聲 編著 國防工業(yè)出版社,參考書： 隨機信號分析基礎(chǔ)（第3版）王永德 王軍 編著 電子工業(yè)出版社 信號與系統(tǒng)鄭君里等 高等教

11、育出版社 信號檢測與估計 （重點參考書中的隨機信號分析章節(jié)） 景占榮 羊彥 編著 化學(xué)工業(yè)出版社 書號：7-5025-5782-2 信號處理 離散頻譜分析、檢測和估計 美M.許華茲 L.肖 著 科學(xué)技術(shù)出版社 統(tǒng)計信號處理 劉福聲 羅鵬飛 國防科技大學(xué)出版社,五、教學(xué)方法和成績： 課堂講授為主，課題討論、作業(yè)（課題研究）為輔的教學(xué)方法 成績：平時成績（課堂、作業(yè)、討論等）+期末考試,為什么要進(jìn)行多次測量？為什么平均值是一個較好的結(jié)果？一次測量得出結(jié)果可信？ 如何求（實現(xiàn)）平均值（模擬信號、數(shù)字信號、電路）？,舉例：對一個被測量值進(jìn)行測量時，為保證結(jié)果可靠，通常的方法是多次測量。 而多次測量可得

12、到一系列（不太相同的）測量值，通常的做法是把多次測量的 值平均，作為被測量的測量結(jié)果。,信號檢測與估計 緒 論,六、學(xué)習(xí)本課程的目的：重點討論隨機信號的信號處理情況,1）從理論上（原理上）回答一些基礎(chǔ)性的問題 ，融會、貫穿已學(xué)的、將要學(xué)習(xí)的知識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。,2）更深入地理解、掌握以前所學(xué)知識的原理，學(xué)習(xí)一些信號處理方法。 如匹配濾波的作用、鎖相環(huán)是如何導(dǎo)出的。,3）掌握一些處理實際問題的方法，如利用FFT求某些信號的特征參數(shù),4）從理論上推導(dǎo)出一些重要的結(jié)論，例如對某種通信，發(fā)送0、1，收到0.6 ，判別為0,5）學(xué)習(xí)一些建模方法并構(gòu)造實現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 如根據(jù)實際需要，建立合適的數(shù)學(xué)模型或

13、系統(tǒng)模型，進(jìn)而實現(xiàn)該系統(tǒng)。,信號檢測與估計 緒 論,學(xué)習(xí)本課程的目的（續(xù)）,6）利用所學(xué)的理論，構(gòu)造特定的電路或方案，解決實際問題，如利用相關(guān)接收機 檢測周期性的微弱信號；,7）學(xué)習(xí)對于噪聲的處理方法。如何在調(diào)試、測試系統(tǒng)時產(chǎn)生和添加必要的噪聲？ 如何在噪聲背景中檢測信號有無、提取信號參數(shù) 。,8）如何衡量信號處理過程、處理結(jié)果的好壞, 如何衡量電子系統(tǒng)的好壞?,9）對于一些實現(xiàn)困難或物理不可實現(xiàn)的系統(tǒng)，如何去逼近或近似。 （如非因果系統(tǒng)的實現(xiàn)）,10）根據(jù)所學(xué)知識，結(jié)合實際情況，探究、發(fā)明一些新算法、新理論、新事物。,信號檢測與估計 緒 論,七、舉例說明信號處理的一些應(yīng)用,例1：分析某個地域

14、經(jīng)濟(jì)狀況如生產(chǎn)總值與時間、價格、銷售量等因素的關(guān)系,所關(guān)心或所要解決的問題：,與哪些因素的關(guān)聯(lián)較大？ 與天氣、季節(jié)、年度有關(guān)嗎？有何關(guān)系？ 在將來的某段時間內(nèi)趨向是上升、下降？ 有無周期性？周期多大？ 是否可用直線、曲線、多維圖形擬合？ 是否可預(yù)測未來的情況？（置信情況如何）？ 是否可建立一種模型來表示其基本結(jié)構(gòu)？ 是否可對其進(jìn)行控制？如何控制？ ,信號處理就是要依靠各種已知的條件、各種合理的假設(shè)、各種先驗知識、經(jīng)驗等， 來解決、回答這些問題的全部或部分內(nèi)容。當(dāng)然，本課程不是專門來討論經(jīng)濟(jì)學(xué)問題的， 只是給出解決類似問題的理論和方法。上述問題涉及到多種知識，是經(jīng)濟(jì)學(xué)方面期 望解決的問題。,本例

15、也說明，不僅在電子學(xué)中需要信號處理，在其他領(lǐng)域信號處理也起著重要的作用。,信號檢測與估計 緒 論,，再結(jié)合先驗知識，如雷達(dá)位置、,發(fā)射的角度等，通過計算，可得飛機的航向、位置、速度等。 簡單的信號處理,，再結(jié)合先驗知識，如雷達(dá)位置、,發(fā)射的角度等，通過計算，可得飛機的航向、位置、速度、高度等。,簡單的信號處理,實際情況： 1）如何構(gòu)建雷達(dá)（發(fā)射機、接收機、天線形式）？ 2）如何準(zhǔn)確測量波形的往返時間t ? 3) 在不同的時間、地點，電磁波的速度是不同的，在此情況下如何修正r ? 4）發(fā)射信號如何選擇（例如單/多脈沖，調(diào)制否），才能抗干擾，便于接收、便于測量、計算？ 5）發(fā)射信號會受到噪聲影響，

16、如大氣層電磁場、太陽熱輻射等； 6）發(fā)射機與接收機中的噪聲，如熱噪聲、電源波動等； 7）各種人為干擾，如衛(wèi)星信號、GPRS信號、電子對抗等； 8）雜波干擾，海雜波、地表雜波、空間雜波 9）所用技術(shù)、設(shè)備本身的限制，如天線發(fā)射信號的旁瓣效應(yīng)、儀器的老化 ,信號檢測與估計 第一章 導(dǎo) 論,信號檢測與估計 緒 論,電子專業(yè),1）如何在噪聲（甚至是強噪聲、甚至電子對抗）干擾的情況下， 判斷出有無目標(biāo)？ 判斷的正確性如何？ 如何提高判斷的正確性？ ,信號 檢測,信號 估計,3）設(shè)計（改善）雷達(dá)系統(tǒng): 電路結(jié)構(gòu)、發(fā)射信號選擇、檢測目標(biāo)電路、信號濾波、數(shù)據(jù)處理,其它系統(tǒng)也有類似的需求：例如通信系統(tǒng)，判別有無

17、信號，信號值是多少,信號檢測與估計 緒 論,八、本課程的特點及其學(xué)習(xí)方法,以前所學(xué)的大多數(shù)課程，主要是建立在“確定性”信號、系統(tǒng)、事件等基礎(chǔ)上的，我們的思維方式也主要集中在確定性這樣的定式上，是對確定的、具體的函數(shù)形式、波形、必然結(jié)果、具體的電路或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)展開研究的，得到的結(jié)果是確定的結(jié)果。這樣的內(nèi)容是容易理解和接受的。,學(xué)習(xí)、掌握信號檢測與估計這門課程是必要的，但這門學(xué)科主要是對隨機信號進(jìn)行分析，主要采用統(tǒng)計處理方法進(jìn)行研究，所以剛開始學(xué)習(xí)時可能會存在疑慮，往往會感到這門學(xué)科不明確、不可靠、難理解、難掌握。為使同學(xué)們能夠盡快從初學(xué)本課程階段的困惑中走出來，除老師在講授中有意識引導(dǎo)外，也有必要

18、先對本課程的特點和學(xué)習(xí)方法做一些介紹?？梢韵嘈?，同學(xué)們經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)（或者說學(xué)完本課程）后，對電子信息科學(xué)這門學(xué)科的理解一定會有一個本質(zhì)的飛躍。,信號檢測與估計 緒 論,課程的特點：,（1）統(tǒng)計的概念 課程主要研究的是大量實驗結(jié)果的統(tǒng)計特性，是從統(tǒng)計的角度去分析信號與系統(tǒng)的。 課程并不會對一個實驗結(jié)果（一個實現(xiàn)或一個具體的函數(shù)、波型）感興趣或感很大興趣，換言之，對于統(tǒng)計信號來說，一次實驗結(jié)果的意義是膚淺的，是沒有必要認(rèn)真研究的。相反，課程是從統(tǒng)計（大量實驗數(shù)據(jù)）的角度來研究問題的。 正因為如此，本課程也稱為統(tǒng)計信號處理（統(tǒng)計信號的檢測與估計）。,（2）模型的概念 本課程是以數(shù)學(xué)知識為基礎(chǔ)，

19、推導(dǎo)、演繹電子學(xué)科中的一些重要的理論模型或數(shù)學(xué)模型，并對這些模型進(jìn)行分析研究。 課程重點研究一般化（抽象化)的系統(tǒng)、信號、噪聲特性及其聯(lián)系，通常只給出它們的系統(tǒng)函數(shù)（系統(tǒng)模型）或數(shù)學(xué)模型，而很少討論具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或?qū)嶋H電路。即使出現(xiàn)一些具體電路系統(tǒng)例子，也只是為了說明一般的帶普遍性問題的處理方法。,信號檢測與估計 緒 論,（3）物理概念 課程需要掌握的重點是信號處理的方法和原理，以及數(shù)學(xué)推演結(jié)果和結(jié)論的物理意義。 本課程是電子信息類學(xué)科相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，不是數(shù)學(xué)課，課程中涉及的概率論、數(shù)理統(tǒng)計、隨機過程理論等只是處理本門學(xué)科有關(guān)問題的一種數(shù)學(xué)工具，或者說是解決問題的一種手段。因此學(xué)習(xí)本

20、課程除應(yīng)注意處理問題的方法外，更重要的是要對數(shù)學(xué)推演結(jié)果和結(jié)論的物理意義有深入的理解。對一些非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)推演過程不必過分嚴(yán)格關(guān)注細(xì)節(jié)，不必深究其數(shù)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，重點是掌握處理問題的思路、方法和原理。對于教學(xué)中出現(xiàn)的有關(guān)數(shù)學(xué)上的推導(dǎo)，主要目的是引出解決問題的思路，培養(yǎng)處理實際問題、具體問題的能力。,（4）辯證概念 課程中給出的一些結(jié)果表面看是難以理解的，但確實是符合實際的。 例如，信號檢測中，按照科學(xué)的檢測準(zhǔn)則演繹出來的檢測系統(tǒng)，在檢測目標(biāo)是否存在時，系統(tǒng)可能給出正確的判決，也可能給出錯誤的結(jié)果。學(xué)習(xí)課程的目的之一就是要盡可能地提高正確判決的概率。 再比如，信號參量估計中，對未知參量的估計絕大多

21、數(shù)情況下只能給出一種近似結(jié)果，而不太容易給出準(zhǔn)確結(jié)果。學(xué)習(xí)課程的目的之一就是要提高這種近似結(jié)果的精度。,信號檢測與估計 緒 論,學(xué)習(xí)方法,（1）針對課程的特點，學(xué)習(xí)時既要理論聯(lián)系實際，又要學(xué)會建立數(shù)學(xué)模型的抽象思維方法，要多動腦筋思考相關(guān)知識來龍去脈，發(fā)掘以前所學(xué)知識的理論依據(jù)，激發(fā)出學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，逐步培養(yǎng)創(chuàng)新意識。,（2）要適當(dāng)?shù)赝瓿梢恍┽槍π缘牧?xí)題或研究課題，以便鞏固和加深對所學(xué)知識的理解和掌握程度。完成這類工作可采用手工推導(dǎo)、算法編程、Matlab計算、甚至實際電路實現(xiàn)等手段。,（3）要注意查閱和復(fù)習(xí)前導(dǎo)課程中的一些知識，如高數(shù)、概率論、隨機過程、線性代數(shù)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理

22、等課程中的相關(guān)知識。這樣可升華以前所學(xué)的知識，促進(jìn)對這門學(xué)科的掌握。,信號檢測與估計 緒 論,九、信號處理技術(shù)應(yīng)用實例,實例1：獨立成分分析方法 獨立成分分析(ICA)已經(jīng)成為近年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高級統(tǒng)計學(xué)以及其它信號處理等研究領(lǐng)域中熱點研究課題之一，有專著，有很多期刊文章。,問題引入：,信號檢測與估計 緒 論,利用獨立成分（ICA）分析方法，求解結(jié)果為：,ICA的不足：存在順序含糊性，可通過先驗知識來判斷（如周期性、頻率高低、相關(guān)性）； 在某些情況下，ICA不能快速收斂； 算法、硬件實現(xiàn)較為復(fù)雜。,信號檢測與估計 緒 論,ICA應(yīng)用例子信號分離（模擬通道的復(fù)用） 一個模擬信號通道，傳輸兩路獨立的有用信號，不可避免地引入了隨機噪聲，在接收端利用ICA，可減