基于LabVIEW的信號(hào)處理.ppt

聲明 本課件供虛擬儀器技術(shù)、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)等相關(guān)課程教 師授課使用與參考. 教師可根據(jù)課程需要和實(shí)際情況在此課件基 礎(chǔ)上增刪內(nèi)容 本課件版權(quán)屬NI(中國(guó))公司所有，供中國(guó)大陸地區(qū)高校教師無(wú)償 使用或在課程中引用，但使用或引用之前請(qǐng)聯(lián)系NI(中國(guó))公司高 校市場(chǎng)部獲得免費(fèi)使用授權(quán) (聯(lián)系方式 ) 本課件不得用于公開出版或其他商業(yè)用途. 如需在公開出版物中 引用其中部分內(nèi)容, 請(qǐng)與NI(中國(guó))公司高校市場(chǎng)部聯(lián)系獲得授權(quán) 第五講 基于LabVIEW的信號(hào)處理 信號(hào)處理在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用 汽車：噪聲定位 機(jī)電：機(jī)器監(jiān)測(cè)能源：管道監(jiān)測(cè) 信號(hào)處理 Signal Processing 通訊：信道消噪 生物：醫(yī)電分析 回顧: 一種典型的虛擬儀器系統(tǒng) 信號(hào)采集分析表達(dá) 信號(hào)處理 為什么需要信號(hào)處理 功率分析 頻率測(cè)定 濾除多余成分 信號(hào) 處理 函數(shù) 信號(hào) 處理 函數(shù) 信號(hào) 處理 函數(shù) Vrms2 500 Hz 完美的正弦曲線 輸入信號(hào) 信號(hào)處理的系統(tǒng)流程 預(yù)處理 信號(hào)分析數(shù)據(jù)采集 參數(shù)測(cè)量 域變換 建模 選擇合適的信號(hào)處理算法 交互顯示 信號(hào)預(yù)處理 信號(hào)預(yù)處理的目的 降噪、去直流、去漂移等 量綱、物理量轉(zhuǎn)換 常用的信號(hào)預(yù)處理方法包括 移動(dòng)平均 濾波 積分、微分 重采樣 預(yù)處理 參數(shù)測(cè)量 域變換 建模 信號(hào)預(yù)處理降噪 信號(hào)噪聲一般指信號(hào)中的高頻次要部分 常用降噪方法 移動(dòng)平均 低通濾波 小波降噪 移動(dòng)平均 移動(dòng)平均是一種特定的低通濾波器，去除信號(hào)中的高 頻噪聲 平均長(zhǎng)度越長(zhǎng)，截止頻率越低 低頻幅度有一定的衰減 移動(dòng)平均對(duì)信號(hào)幅度的影響 低頻幅度有一定的衰減，衰減程度隨平均長(zhǎng)度的增加 而增大 低通濾波器設(shè)計(jì) 使用濾波器設(shè)計(jì)Express VI設(shè)計(jì)低通濾波器，用于去除 高頻噪聲 可靈活調(diào)整濾波器的頻響，以去除高頻噪聲同時(shí)又盡 可能保持低頻成分的幅度 濾波器Express VI 選擇濾波器類型 低通 高通 帶通 帶阻 平滑 選擇濾波器規(guī)范 截止頻率 FIR或IIR 階數(shù) 直觀顯示效果 便于調(diào)整參數(shù) 達(dá)到理想效果 LabVIEW中的數(shù)字濾波器函數(shù) 關(guān)于各種數(shù)字濾波器的特點(diǎn)和參數(shù)影響不 是本課程關(guān)注的重點(diǎn)，可參考數(shù)字信號(hào) 處理課程及相關(guān)參考書 最簡(jiǎn)單的: 濾波器Express VI 濾波器函數(shù) 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包* 軟件濾波與硬件濾波 硬件濾波 在上一課中我們提到“濾波”是一類重要的信號(hào)調(diào)理手段 通過(guò)模擬電路直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，在數(shù)字化采樣之前發(fā)生 軟件濾波 這節(jié)課我們所討論的內(nèi)容 已經(jīng)經(jīng)過(guò)了采樣和數(shù)字化，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理 兩者比較 軟件濾波配置簡(jiǎn)單，幾乎無(wú)成本，隨時(shí)間無(wú)老化效應(yīng) 硬件濾波不需要占用處理器資源 軟件濾波可能在某些噪聲條件下效果較差 兩者可能同時(shí)使用 降噪的挑戰(zhàn) 寬頻、時(shí)變、多尺度 移動(dòng)平均和低通濾波不適用于寬頻、時(shí)變、多尺度信 號(hào)的降噪 小波降噪 基于小波的降噪方法適合于寬頻、時(shí)變、多尺度信號(hào) 的降噪 降噪方法比較 移動(dòng)平均低通小波 去除成分高頻高頻有選擇地去除高頻 幅頻響應(yīng) 類型 低通濾波低通濾波 低通并保留高頻幅度較 大部分 （非線性） 過(guò)渡帶 較長(zhǎng) (與平均長(zhǎng)度有關(guān)) 可控 (與濾波器設(shè)計(jì)有關(guān)) 與小波類型有關(guān) 低頻衰減 較大 (與平均長(zhǎng)度有關(guān)) 可控 (與濾波器設(shè)計(jì)有關(guān)) 與小波類型有關(guān) 優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)單易用性能可控非平穩(wěn)信號(hào)效果好 使用LabVIEW做信號(hào)預(yù)處理的優(yōu)勢(shì) 豐富的函數(shù) 濾波器設(shè)計(jì)、重采樣、抽樣、插值、去直流、曲線擬合、小 波降噪、小波去趨勢(shì)、時(shí)變?yōu)V波等等 LabVIEW交互式的環(huán)境便于完成需要反復(fù)試驗(yàn)(Trial and error)的預(yù)處理任務(wù) 圖形化編程 VI前面板 調(diào)試探針 (Probe) Express VI 參數(shù)測(cè)量 頻率、周期與相位 直流分量、有效值(RMS) 脈沖參數(shù)：占空比、超調(diào)比等 總諧波失真(THD)、SINAD 振動(dòng)級(jí)、聲壓級(jí) 諧振頻率、阻尼 預(yù)處理 參數(shù)測(cè)量 域變換 建模 參數(shù)測(cè)量的應(yīng)用 電聲設(shè)備特性測(cè)量 音箱、耳機(jī)、麥克風(fēng)、功放等 頻響、THD等參數(shù) 土木與機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性測(cè)量 諧振頻率、阻尼 其他應(yīng)用 汽車 生產(chǎn)線自動(dòng)質(zhì)量控制系統(tǒng) 參數(shù)測(cè)量例1頻譜測(cè)量 可交互式地對(duì)參數(shù)進(jìn) 行配置（如選擇不同 的窗函數(shù)等） 需要加窗的原因頻譜泄漏 實(shí)際信號(hào)采樣之后進(jìn)行頻譜分析時(shí)需要考慮頻譜泄漏的問(wèn)題 沒(méi)有以整數(shù)周期進(jìn)行采樣的信號(hào)生成高頻不連續(xù)成分，從而導(dǎo)致頻譜泄漏 頻譜泄漏導(dǎo)致頻率測(cè)量失真，因?yàn)椴贿B續(xù)部分的高頻能量會(huì)在頻譜擴(kuò)散 不連續(xù) 1個(gè)周期 頻譜泄漏 整數(shù)周期 無(wú)泄漏 非整數(shù)周期 泄漏 加窗可減少頻譜泄漏對(duì)頻譜分析的影響 加窗可加強(qiáng)信號(hào)部分，減弱其它 部分 加窗可以將不連續(xù)部分的幅值最 小化 減少頻譜泄漏 加窗對(duì)幅值和相位的效果、不同 窗函數(shù)的影響效果等內(nèi)容可參考 數(shù)字信號(hào)處理課程或相關(guān)參 考書 參數(shù)測(cè)量例2FRF 一個(gè)函數(shù)完成一臺(tái)傳統(tǒng)頻譜分析儀的主要功能 系統(tǒng)的激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)作為輸入，直接輸出系統(tǒng)的FRF 加窗、平均、H1、H2、H3等設(shè)置 直接在LabVIEW前面板顯示頻響函數(shù) 參數(shù)測(cè)量例3正弦參數(shù)提取 傳統(tǒng)方法 功率峰值法：精度受頻譜泄漏和譜線密度影響 零點(diǎn)檢測(cè)法：精度受噪聲影響 LabVIEW中使用的三點(diǎn)法 專利技術(shù) 消除頻譜泄漏影響 高精度 DemoDemo 使用LabVIEW做參數(shù)測(cè)量的優(yōu)勢(shì) LabVIEW的函數(shù)專門針對(duì)工業(yè)應(yīng)用 函數(shù)功能強(qiáng)大，調(diào)用現(xiàn)成VI完成參數(shù)測(cè)量任務(wù) 隱藏底層算法，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置方式 包含單位量綱，自動(dòng)給出測(cè)量結(jié)果的量綱 域變換 變換是信號(hào)處理的精髓 換個(gè)角度看問(wèn)題 變換可能使得信號(hào)的隱藏特征顯而易見 常用變換域 頻域 尺度域 時(shí)頻域 角度域 預(yù)處理 參數(shù)測(cè)量 域變換 建模 信號(hào)按時(shí)頻特征分類 時(shí)間 長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的窄帶信號(hào) 短時(shí)窄帶信號(hào) 時(shí)變信號(hào) 選擇合適的變換域 傅立葉變換小波變換聯(lián)合時(shí)頻角度(階次)域 t f LabVIEW變換函數(shù)的特點(diǎn) 功能全面 FFT、Hilbert變換、Hartley變換、Walsh Hadamard變換、聯(lián)合時(shí) 頻率變換、小波變換 函數(shù)設(shè)計(jì)針對(duì)在線應(yīng)用 函數(shù)運(yùn)算速度足夠快 函數(shù)自動(dòng)處理相鄰信號(hào)塊的銜接問(wèn)題 例：Online Gabor Transform、Online Gabor Expansion LabVIEW中時(shí)頻分析的應(yīng)用舉例 深海中虎鯨的叫聲 演示演示 建模分析 應(yīng)用1. 系統(tǒng)識(shí)別 控制器設(shè)計(jì) 預(yù)測(cè) 狀態(tài)監(jiān)測(cè) 應(yīng)用2. 隨機(jī)信號(hào)參數(shù)建模 預(yù)處理 參數(shù)測(cè)量 域變換 建模 系統(tǒng)辨識(shí)工具包 隨機(jī)信號(hào)建模 自回歸模型 (AR) 確定部分 (用模型系數(shù)表示) 隨機(jī)部分 (建模殘差) AR建模應(yīng)用實(shí)例 - 硬盤異音自動(dòng)檢測(cè) Good Pitch Crack Zee 在實(shí)際生產(chǎn)線上，可以通過(guò)AR建模殘差的大小來(lái)檢測(cè)故障 在實(shí)際的信號(hào)處理應(yīng)用中使用LabVIEW 與硬件無(wú)縫連接 易于獲取真實(shí)數(shù)據(jù)，隨后直接進(jìn)行信號(hào)處理 針對(duì)在線信號(hào)處理的函數(shù)接口設(shè)計(jì) 交互式地直接調(diào)試 可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)嘗試不同的信號(hào)處理算法效果，決定 最終的算法 開發(fā)效率高 內(nèi)置超過(guò)1,000種現(xiàn)成的信號(hào)處理函數(shù)，可直接調(diào)用 概率統(tǒng)計(jì)、微積分、曲線擬合插值、最優(yōu)化等數(shù)學(xué)函數(shù) 頻譜分析、小波、時(shí)頻、濾波器設(shè)計(jì)、特征提取、多通道分析等 調(diào)制/解調(diào)等 也可以編寫自定義的信號(hào)處理算法 LabVIEW中的信號(hào)分析與處理常用函數(shù) 信號(hào)處理函數(shù)選板 數(shù)學(xué)選板 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)* 頻譜測(cè)量* 聲音與振動(dòng)* 高級(jí)信號(hào)處理 (時(shí)頻分析、小波分析等)* 調(diào)制解調(diào)* 結(jié)合硬件進(jìn)行信號(hào)處理 PCI PXI USB Wireless CompactDAQ 同一應(yīng)用程序 多種目標(biāo)硬件 無(wú)論你的數(shù)據(jù)來(lái)自于何種數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，LabVIEW數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理的程序是一樣的 ELVIS 舉例 基于myDAQ實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的采集和聲強(qiáng)分析及閾值報(bào)警 采集音樂(lè)信號(hào) 設(shè)閾值并監(jiān)控 根據(jù)警報(bào)值輸出 舉例 進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在線音效處理（功率譜分析和濾波均衡） 調(diào)用文本語(yǔ)言下的信號(hào)處理代碼 通過(guò)公式節(jié)點(diǎn)和MathScript節(jié)點(diǎn)可在LabVIEW中調(diào)用文本語(yǔ)言程序 也可以通過(guò)調(diào)用DLL等方式連接文本語(yǔ)言的編譯結(jié)果（可自學(xué)） 通過(guò)MathScript節(jié)點(diǎn)調(diào)用Matlab代碼 LabVIEW中內(nèi)置的文本數(shù)學(xué)語(yǔ)言 ，提供900多個(gè)數(shù)學(xué)、信號(hào)處理 函數(shù) 兼容m文件腳本語(yǔ)法和對(duì)矩陣的 操作，可以重用m-script代碼并驗(yàn) 證算法 可與LabVIEW圖形化編程結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)交互式的圖形化用戶界面 快速的硬件實(shí)現(xiàn)與原型化 通過(guò)MathScript節(jié)點(diǎn)調(diào)用Matlab代碼 參考資源 LabVIEW“信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室”和“通 信原理實(shí)驗(yàn)室” 與信號(hào)與系統(tǒng)與數(shù)字信 號(hào)處理經(jīng)典教材圖例配套的 LabVIEW程序 LabVIEW信號(hào)處理實(shí)際應(yīng)用舉例 波音777客機(jī)的起降噪聲源定位 應(yīng)用 波音公司使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)超過(guò) 300通道