重慶大學(xué)機械工程學(xué)院研究生工程信號處理實驗報告

1、重 慶 大 學(xué)學(xué) 生 實 驗 報 告實驗課程名稱 工程信號處理 開課實驗室 綜合實驗大樓329 學(xué) 院 機械 年級2014專業(yè)班 機電1班 學(xué) 生 姓 名 汶 睿 學(xué) 號 20120713094t 開 課 時 間 2014 至 2015 學(xué)年第 一 學(xué)期總 成 績教師簽名機械工程學(xué)院制工程信號處理實驗報告 開課實驗室：綜合實驗大樓329 時間：2014年 11月 25 日學(xué)院機械工程學(xué)院2014級機電1班機電一班姓名汶睿成績課程名稱工程信號處理實驗項目名 稱工程信號處理指導(dǎo)教師湯寶平教師評語教師簽名：年 月 日實驗一 數(shù)據(jù)采集與波形顯示一、實驗?zāi)康?1 加深對A/D轉(zhuǎn)換原理及采樣定理的理解 2

2、 掌握幾種常用的采樣觸發(fā)方式 3 掌握采樣參數(shù)的選擇方法二、實驗原理1）模數(shù)轉(zhuǎn)換及其控制模數(shù)轉(zhuǎn)換三個步驟：（1）采樣，（2）量化，（3）編碼。模擬信號經(jīng)過三步轉(zhuǎn)換后，變在了時間上離散，幅值上量化的數(shù)字信號。2）信號采集的參數(shù)選擇采樣頻率：采樣頻率是采樣時間T的倒數(shù)；采樣頻率越高，信號的復(fù)原性越好，但數(shù)據(jù)量會劇增。根據(jù)采樣定理，采樣頻率fs最小必須大于或等于信號中最高頻率fc的2倍，即fs2fc。在實際分析中，一般取fs=(510)fc。采樣點數(shù)：進行時域分析時，采樣點數(shù)盡可能多一些，采樣點數(shù)越多信號越容易復(fù)原。進行頻域分析時，為了快速傅里葉變換（FFT）計算的方便，采樣點數(shù)一般取2的冪數(shù)，如5

3、12、1024、2048、4096等。有許多信號處理設(shè)備固定取為1024點。觸發(fā)方式：觸發(fā)信號是啟動A/D開始采樣的信號，觸發(fā)方式選擇即選擇不同形式的觸發(fā)信號。一般有手動觸發(fā)、電平觸發(fā)、外觸發(fā)等方式。三、 使用儀器、材料1）信號發(fā)生器2）測試傳感器與預(yù)處理器3）數(shù)據(jù)采集器4）數(shù)據(jù)采集與波形顯示軟件四、實驗步驟1）連接儀器如下圖所示2）選擇儀器上示波功能進行信號采集并同步顯示3）選擇儀器的數(shù)據(jù)采集功能進行手動觸發(fā)、外觸發(fā)等信號采集五、實驗過程原始記錄(數(shù)據(jù)、圖表、計算等)1）數(shù)據(jù)采集示意圖 圖1 較低采樣頻率采獲的正弦波形 圖2 較高采樣頻率采獲的正弦波形 圖3 外觸發(fā)方式采集脈沖信號示意圖六、

4、實驗結(jié)果及分析1對瞬變信號采用什么采樣觸發(fā)方式采集比較合適？ 對瞬變信號采用預(yù)觸發(fā)方式最合適，因為預(yù)觸發(fā)方式在信號到來之前就進行采樣，可以采集到信號的完整信息，而其他幾種方式都不具備這個能力。2做數(shù)據(jù)記錄時，記錄所花的時間與哪些參數(shù)有關(guān)？ 記錄所花的時間與采樣頻率和采集點數(shù)有關(guān)；根據(jù)fs=1/t,T=N*t，可得T=N/fs。即采集時間與采集點數(shù)成正比，與采樣頻率成反比。實驗二 時域,幅值域及時差域幅分析一、實驗?zāi)康?1 掌握信號的時域波形分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征值的計算方法 2 掌握信號的概率密度函數(shù)及其應(yīng)用 3 理解信號的相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)及其應(yīng)用二、實驗原理1）信號統(tǒng)計量計算方法1、均值2、均方值

5、3、方差2）概率密度函數(shù) 信號的概率密度函數(shù)是表示信號幅值落在指定區(qū)間內(nèi)的概率。定義為。3）相關(guān)函數(shù)分析 實能量信號相關(guān)函數(shù)定義如下：自相關(guān)函數(shù) 互相關(guān)函數(shù) 三、實驗步驟1）分析典型周期信號的相關(guān)性和概率密度函數(shù)2）分析隨機信號的相關(guān)性和概率密度函數(shù)3）分析兩個信號的互相關(guān)性質(zhì)四、實驗過程記錄1）典型周期信號分析 圖1 周期正弦信號及其頻譜幅值 圖2 周期矩形信號及其頻譜幅值 圖3 周期正弦信號概率密度函數(shù) 圖4 周期矩形信號概率密度函數(shù) 圖5 正弦信號自相關(guān)函數(shù) 圖6 矩形信號自相關(guān)函數(shù)2）隨機信號分析 圖7 隨機信號幅值譜 圖8 隨機信號概率密度函數(shù) 圖9 隨機函數(shù)自相關(guān)函數(shù)3）兩個信號的

6、互相關(guān)分析 圖10 兩個同頻率正弦信號互相關(guān)函數(shù) 圖11 兩個不同頻率正弦信號互相關(guān)函數(shù) 圖12 兩個隨機信號互相關(guān)函數(shù)五、實驗結(jié)果及分析1、均值、均方值、方差三者之間有何關(guān)系？ 均值、均方值、方差三者之間具有如下關(guān)系：，描述了信號的波動量，對應(yīng)電信號中交流成分的功率；描述了信號的靜態(tài)量，對應(yīng)電信號中直流成分的功率。2、典型信號的概率密度函數(shù)圖形特點有哪些？平穩(wěn)隨機信號的概率密度函數(shù)服從什么分布？ 正弦信號的概率密度函數(shù)是偶函數(shù)，在零點概率最小，在峰值概率最大，這是因為正弦信號在經(jīng)過零值時變化最快，在到達峰值時變化最慢，因此具有這種特征。矩形信號只有兩個離散的取值，故其在峰值的概率為0.5，在

7、其他取值的概率為0。平穩(wěn)隨機信號的概率密度呈正態(tài)分布。3、自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)有哪些？互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)有哪些？ 自相關(guān)函數(shù)是關(guān)于時間的偶函數(shù)，在=0時取最大值，且等于該信號的均方值。周期信號的自相關(guān)函數(shù)仍是同頻率的周期信號，但丟失相位信息。隨機信號的自相關(guān)函數(shù)隨著的增大很快衰減至零。 互相關(guān)函數(shù)是非奇非偶函數(shù)。兩周期信號的互相關(guān)函數(shù)仍然是同頻率的周期信號，但保留了原信號的相位差信息。兩個不同頻周期信號互不相關(guān)。實驗三 頻譜分析一、實驗?zāi)康?1信號頻譜的分析方法 2學(xué)習(xí)用FFT分析儀對信號進行頻譜分析二、實驗原理 傅立葉變換法是對平穩(wěn)信號進行頻域分析的有效手段。變換公式如下： 實際上信號不可能為無限

8、長，需對信號進行加窗截斷，即用有限長度的時窗函數(shù)與信號相乘：，在頻域上相當(dāng)于原信號與窗函數(shù)的頻譜做卷積。 頻譜細化分析是根據(jù)傅里葉變換的頻移性質(zhì)，原先f=f0的頻譜變?yōu)榱泐l，原f0附近的較高頻率的譜分量變?yōu)榈皖l成分。經(jīng)低通濾波后，可采用較低的采樣頻率對原數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)重抽，使頻譜分辨力提高即頻率細化。 信號x(t)的希爾伯特變換（Hilbert Transform）定義為，解析信號定義為： 因此窄帶信號x(t)的包絡(luò)函數(shù)為： 三、實驗步驟1）對周期信號進行FFT分析其幅值譜2）分析隨機信號的自功率譜密度3）對頻譜成分密集的信號進行頻譜細化分析4）信號解調(diào)分析四、實驗過程記錄1）周期信號FFT分析

9、圖1 鋸齒周期信號的FFT分析2）隨機信號自功率譜分析圖2 隨機信號自功率譜3）頻譜細化分析 圖3 細化前頻譜圖 圖4 主頻細化后頻譜圖4）解調(diào)分析圖5 解調(diào)分析后的包絡(luò)波形五、實驗結(jié)果及分析1. 周期信號頻譜有何特征？ 周期信號的頻譜是離散的譜圖，每條離散譜線只出現(xiàn)在基頻譜線的整數(shù)倍上，基頻譜線是各高次諧波頻率分量的公約數(shù)。2. 頻譜細化分析的意義？ 由于傅里葉變換具有柵欄效應(yīng)，不能精確的定位頻譜成分的位置，因此有可能造成頻譜上的能量泄漏到旁邊的譜線上。頻譜細化可以提高頻率分辯率，克服柵欄效應(yīng)造成的頻譜失真。3. 調(diào)制、解調(diào)的作用是什么？ 在通訊系統(tǒng)中，攜帶信息的有用信號一般是低頻帶的基帶信

10、號，在進行信息傳輸時，為了提高抗干擾性、實現(xiàn)信道復(fù)用，需要進行信號調(diào)制；而解調(diào)則是從調(diào)制信號中恢復(fù)出原信號的過程，它與調(diào)制緊密相連，根據(jù)具體的調(diào)制方法進行對應(yīng)的逆變換。4試討論信號加窗截斷對信號頻譜的影響，并說明如何修正？ 信號加窗等效于兩個信號相乘，在頻域上相當(dāng)于兩個信號的頻譜做卷積運算，因此會產(chǎn)生頻譜泄漏，降低了頻率分辯力。為了使其影響降到最低，應(yīng)采用旁瓣小，主峰窄的窗函數(shù)進行頻譜分析。實驗四 傳遞相干分析 一、實驗?zāi)康?1掌握系統(tǒng)傳遞函數(shù)的測定方法及其估算方法 2熟悉傳遞函數(shù)的多種表現(xiàn)形式及其應(yīng)用 3掌握相干函數(shù)計算方法及其應(yīng)用二、實驗原理 傳遞函數(shù)是用系統(tǒng)的輸出信號與輸入的信號的關(guān)系來

11、研究系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，計算式如下： 在右式的上下各乘以的共軛復(fù)數(shù)，則如下式計算： ，分母為輸入信號的自功率譜函數(shù)，分子為輸出和輸入的互譜。 相干函數(shù)定義如下：，式中為互譜，為輸入自譜，為輸出自譜。可以證明：。三、實驗步驟1）對雙通道信號進行傳遞函數(shù)分析2）對雙通道信號進行相干函數(shù)分析四、實驗過程記錄1）傳遞函數(shù)分析 圖1 低通系統(tǒng)傳遞函數(shù)增益特性 圖2 低通系統(tǒng)傳遞函數(shù)相位特性圖3 低通系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù) 圖4 低通系統(tǒng)傳遞函數(shù)實部 圖5 低通系統(tǒng)傳遞函數(shù)虛部 圖6 低通系統(tǒng)伯德圖 圖7 低通系統(tǒng)奈奎斯特圖2）相干分析 圖8 相干函數(shù)譜圖 圖9 相干輸出譜密度圖五、實驗結(jié)果及分析1對系統(tǒng)的輸入

12、和輸出信號采集作傳遞函數(shù)分析時，是否要求同步采集？對采集器有何要求。 要求同步采集，若采集器不同步，則會使傳遞函數(shù)相位譜失真。2傳遞函數(shù)有幾種表示形式，每種形式有何作用？ 傳遞函數(shù)有四種表示形式，表示輸入輸出的互功率譜除以輸入信號的自功率譜；，表示輸出信號的自功率譜除以輸入輸出的互功率譜；，表示由前兩種形式的算術(shù)平均值；，表示前兩種形式的幾何平均值。3相干函數(shù)的作用是什么？ 相干函數(shù)又稱為凝聚函數(shù)，在系統(tǒng)辨識中可以判明輸出與輸入的關(guān)系。當(dāng)其值為0時，表明兩信號不相干，即輸出不是由輸入引起的；當(dāng)其值為1時，說明輸出與輸入完全相關(guān)；當(dāng)其值介于0到1之間時，說明有噪聲干擾或系統(tǒng)是非線性的。實驗五 小

13、波分析 一、實驗?zāi)康?1理解小波變換的變焦特性 2通過各種小波變換的結(jié)果了解小波分析的原理 3了解不同母小波的選擇對小波變換結(jié)果的影響 4了解小波分解及其識別微弱奇異信號的能力三、實驗步驟1）觀察小波的變焦特性2）連續(xù)小波變換實驗3）小波分解實驗4）小波包分解實驗5）小波包分解識別微弱奇異信號四、實驗過程記錄 圖1 墨西哥小波及其尺度變化特性 圖2 Mayer小波及其尺度變化特性 圖3 方波信號用墨西哥小波進行連續(xù)變換 圖4 方波信號用Mayer小波進行連續(xù)變換 圖5 變頻信號時行連續(xù)小波變換 圖6 方波信號用Daubiches10小波進行分解 圖7 方波信號用Mayer小波時行分解 圖8 用小波分解識別微弱廳