第五章 信號處理初步

1、第五章第五章 信號處理初步信號處理初步1第五章第五章 信號處理初步信號處理初步本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1.1.掌握信號采樣定理，能正確選擇采樣頻率掌握信號采樣定理，能正確選擇采樣頻率 2.2.了解數(shù)字信號處理中信號截斷、能量泄露、了解數(shù)字信號處理中信號截斷、能量泄露、柵欄效應(yīng)等現(xiàn)象柵欄效應(yīng)等現(xiàn)象 3.3.掌握常用的數(shù)字信號處理方法掌握常用的數(shù)字信號處理方法第五章第五章 信號處理初步信號處理初步2信號處理的目的：信號處理的目的：1 1）分離信、噪，提高信噪比；）分離信、噪，提高信噪比；2 2）從信號中提取有用信息；）從信號中提取有用信息；3 3）修正測試系統(tǒng)的某些誤差，如傳感器的線性誤差、）

2、修正測試系統(tǒng)的某些誤差，如傳感器的線性誤差、 溫度影響等。溫度影響等。信號處理有模擬信號處理系統(tǒng)和數(shù)字信號處理系統(tǒng)。信號處理有模擬信號處理系統(tǒng)和數(shù)字信號處理系統(tǒng)。模擬信號處理系統(tǒng)由一系列能實現(xiàn)模擬運算的電路組成。模擬信號處理系統(tǒng)由一系列能實現(xiàn)模擬運算的電路組成。數(shù)字信號處理是用數(shù)字方法處理信號，既可以在計算機(jī)上數(shù)字信號處理是用數(shù)字方法處理信號，既可以在計算機(jī)上借助程序?qū)崿F(xiàn)，也可以用專用的信號處理機(jī)實現(xiàn)。借助程序?qū)崿F(xiàn)，也可以用專用的信號處理機(jī)實現(xiàn)。數(shù)字信號處理系統(tǒng)具有穩(wěn)定、靈活、快速、高效、應(yīng)用范數(shù)字信號處理系統(tǒng)具有穩(wěn)定、靈活、快速、高效、應(yīng)用范圍廣、設(shè)備體積小、重量輕等優(yōu)點，得到廣泛的應(yīng)用。圍

3、廣、設(shè)備體積小、重量輕等優(yōu)點，得到廣泛的應(yīng)用。第五章第五章 信號處理初步信號處理初步35.1 5.1 數(shù)字信號處理的基本步驟數(shù)字信號處理的基本步驟 1 1、數(shù)字信號處理的主要研究內(nèi)容、數(shù)字信號處理的主要研究內(nèi)容 數(shù)字信號處理主要研究用數(shù)字序列來表示數(shù)字信號處理主要研究用數(shù)字序列來表示測試信號，并用數(shù)學(xué)公式和運算來對這些數(shù)字序列測試信號，并用數(shù)學(xué)公式和運算來對這些數(shù)字序列進(jìn)行處理。其主要內(nèi)容包括數(shù)字波形分析、幅值分進(jìn)行處理。其主要內(nèi)容包括數(shù)字波形分析、幅值分析、頻譜分析和數(shù)字濾波析、頻譜分析和數(shù)字濾波。2 2、測試信號數(shù)字化處理的基本步驟、測試信號數(shù)字化處理的基本步驟 物理信號物理信號對象對象傳

4、傳感感器器電信號電信號信信號號調(diào)調(diào)制制電信號電信號A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字信號數(shù)字信號計計算算機(jī)機(jī)顯顯示示D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換控控制制第五章第五章 信號處理初步信號處理初步43 3、數(shù)字信號處理的優(yōu)勢、數(shù)字信號處理的優(yōu)勢 1)1)用數(shù)學(xué)計算和計算機(jī)顯示代替復(fù)雜的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)用數(shù)學(xué)計算和計算機(jī)顯示代替復(fù)雜的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)2)2)計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展a)a)多種多樣的工業(yè)用計算機(jī)。多種多樣的工業(yè)用計算機(jī)。 第五章第五章 信號處理初步信號處理初步5b)b)靈活、方便的計算機(jī)虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)靈活、方便的計算機(jī)虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)第五章第五章 信號處理初步信號處理初步65.2 5.2 信號數(shù)字

5、化出現(xiàn)的問題信號數(shù)字化出現(xiàn)的問題 當(dāng)運用計算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時，不可能對無限長的信當(dāng)運用計算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時，不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和運算，而是取其有限的時間片段進(jìn)行分析，號進(jìn)行測量和運算，而是取其有限的時間片段進(jìn)行分析，這個信號截取過程稱為信號的截斷。這個信號截取過程稱為信號的截斷。 第五章第五章 信號處理初步信號處理初步75.2 5.2 信號數(shù)字化出現(xiàn)的問題信號數(shù)字化出現(xiàn)的問題 1 1 采樣信號的頻譜采樣信號的頻譜 采樣過程是將采樣采樣過程是將采樣脈沖序列脈沖序列p(t)與信與信號號x(t)相乘相乘第五章第五章 信號處理初步信號處理初步82.2.頻混現(xiàn)象頻混現(xiàn)象 頻域解釋頻域解

6、釋時域解釋時域解釋第五章第五章 信號處理初步信號處理初步93.3.采樣定理采樣定理 為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2 2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。f fs s2f2fmaxmax 第五章第五章 信號處理初步信號處理初步10A/DA/D采樣前的抗混迭濾波：采樣前的抗混迭濾波： 物理信號物理信號對象對象傳傳感感器器電信號電信號信信號號調(diào)調(diào)制制電信號電信號A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字信號數(shù)字信號計計算算機(jī)機(jī)顯顯示

7、示展開展開低通濾波低通濾波(0-Fs/2)放大放大13第五章第五章 信號處理初步信號處理初步11 模數(shù)模數(shù)(A/D)和數(shù)模和數(shù)模(D/A) 1 1、A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 1) A/D轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程 采樣采樣利用采樣脈沖序列利用采樣脈沖序列p(t)p(t)，從連續(xù)時間信號，從連續(xù)時間信號x(t)x(t)中中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號x(nTsx(nTs) )的過程的過程 編碼編碼將離散幅值經(jīng)過量化以后變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字的過程。將離散幅值經(jīng)過量化以后變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字的過程。 量化量化把采樣信號把采樣信號x x（nTsnTs）經(jīng)過舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€有）經(jīng)過舍

8、入變?yōu)橹挥杏邢迋€有效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化第五章第五章 信號處理初步信號處理初步122) A/D2) A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) (1) (1) 分辨率分辨率; ; 用輸出二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示。位數(shù)越多，量化誤差越小，用輸出二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示。位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨力越高。常用有分辨力越高。常用有8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1616位等。位等。 (2) (2) 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度; ; 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度= =量程量程/(A/(AD D轉(zhuǎn)換器的分辨力轉(zhuǎn)換器的分辨力* *0.5)0.5) (3) (3) 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度; ; 指

9、完成一次轉(zhuǎn)換所用的時間，指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時間，如如:100ms(10Hz):100ms(10Hz)；10us(100kHz) 10us(100kHz) (4) (4) 模擬信號的輸入范圍模擬信號的輸入范圍; ; 如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。第五章第五章 信號處理初步信號處理初步132 2、D/AD/A轉(zhuǎn)換過程和原理轉(zhuǎn)換過程和原理 1) D/A轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程 D/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號的裝置。轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號的裝置。 2) D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) (1) (1) 分辨率分辨率; ; (2) (2) 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度

10、; ; (3) (3) 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度; ; (4) (4) 模擬信號的輸出范圍模擬信號的輸出范圍; ;第五章第五章 信號處理初步信號處理初步14 設(shè)有余弦信號設(shè)有余弦信號x(t), x(t), 用矩形窗函數(shù)用矩形窗函數(shù)w(t)w(t)與其相乘，與其相乘，得到截斷信號得到截斷信號: y: y(t) =x(t)w(t) (t) =x(t)w(t) 將截斷信號譜將截斷信號譜 X XT T()()與原始信號譜與原始信號譜X()X()相相比較可知，它已不是原比較可知，它已不是原來的兩條譜線，而是兩來的兩條譜線，而是兩段振蕩的連續(xù)譜段振蕩的連續(xù)譜. . 原來原來集中在集中在f0f0處的能量被分處的能量被分散到兩個較寬的頻帶中散到兩個較寬的頻帶中去了，這種現(xiàn)象稱之為去了，這種現(xiàn)象稱之為頻譜能量泄漏頻譜能量泄漏。5.3 5.3 信號的截斷、能量泄漏信號的截斷、能量泄漏 當(dāng)運用計算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時，不可能對無限長的信當(dāng)運用計算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時，不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和