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1、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(kāi)出版或其他商業(yè)用途. 如需在公開(kāi)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)
2、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
3、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)
4、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
5、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
6、 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)
7、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)
8、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(jiàn) 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)頻特征分類頻率時(shí)間短時(shí)寬帶信號(hào)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tfLabVIEW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
9、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 ExpansionLabVIEW中時(shí)頻分析的應(yīng)用舉例深海中虎鯨的叫聲建模分析應(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)Mkkneknyany1)( )()(確定部分(用模型系數(shù)表示)隨機(jī)部分 (建模殘差)(ne)(ny)(zHAR建模應(yīng)用實(shí)例 - 硬盤異音自動(dòng)檢測(cè)GoodPitchCrackZee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
10、 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(kāi)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PCIPXIUSBWirelessCo
11、mpactDAQ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
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