2.1第章節(jié)ppt課件

1、第七章第七章 信號處理初步信號處理初步 測試得到的信號經(jīng)常是有用信號與各種噪聲干擾信測試得到的信號經(jīng)常是有用信號與各種噪聲干擾信號混雜在一起的，有時有用信號也不明顯、不突出，難號混雜在一起的，有時有用信號也不明顯、不突出，難于直接識別和利用。于直接識別和利用。 信號處理的目的是：信號處理的目的是：分離有用信號、噪聲，提高信噪比分離有用信號、噪聲，提高信噪比從信號中提取有用的特征信號從信號中提取有用的特征信號修正測試系統(tǒng)的某些錯誤如傳感器的線性誤差、溫度影響等）修正測試系統(tǒng)的某些錯誤如傳感器的線性誤差、溫度影響等） 信號處理可分為模擬信號處理和數(shù)字信號處理。信號處理可分為模擬信號處理和數(shù)字信號處

2、理。 模擬信號處理是通過一系列能夠?qū)崿F(xiàn)模擬運(yùn)算的電路來實現(xiàn)模擬信號處理是通過一系列能夠?qū)崿F(xiàn)模擬運(yùn)算的電路來實現(xiàn)的，這些電路包括模擬濾波器、乘法器、微分放大器等環(huán)節(jié)。模擬的，這些電路包括模擬濾波器、乘法器、微分放大器等環(huán)節(jié)。模擬信號處理也可作為數(shù)字信號處理的預(yù)處理，例如進(jìn)行濾波、限幅、信號處理也可作為數(shù)字信號處理的預(yù)處理，例如進(jìn)行濾波、限幅、隔直、解調(diào)等預(yù)處理。隔直、解調(diào)等預(yù)處理。 數(shù)字信號處理在計算機(jī)上進(jìn)行，通過運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來處理數(shù)字信號處理在計算機(jī)上進(jìn)行，通過運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來處理信號。數(shù)字信號處理具有穩(wěn)定、靈敏、快速、高效、設(shè)備體積小、信號。數(shù)字信號處理具有穩(wěn)定、靈敏、快速、高效、設(shè)備體積小、

3、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。重量輕等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)字信號處理的基本步驟數(shù)字信號處理的基本步驟 數(shù)字信號處理的基本步驟如下圖所示。數(shù)字信號處理的基本步驟如下圖所示。 一、信號的預(yù)處理一、信號的預(yù)處理 信號的預(yù)處理主要包括：信號的預(yù)處理主要包括： 電壓幅值調(diào)理電壓幅值調(diào)理根據(jù)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的量程要求，把信號電壓值調(diào)轉(zhuǎn)換的量程要求，把信號電壓值調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶?。整到適當(dāng)?shù)姆秶?濾波濾波濾去信號中的噪聲，提高信噪比。濾去信號中的噪聲，提高信噪比。 隔直隔直隔離信號中的直流分量主要是針對振動測試）。隔離信號中的直流分量主要是針對振動測試）。 解調(diào)解調(diào)如果原信號是經(jīng)過調(diào)制的信號

4、。如果原信號是經(jīng)過調(diào)制的信號。 二、二、A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換是將連續(xù)的模擬信號經(jīng)采樣、量化并轉(zhuǎn)化為離散的二轉(zhuǎn)換是將連續(xù)的模擬信號經(jīng)采樣、量化并轉(zhuǎn)化為離散的二進(jìn)制數(shù)的過程。進(jìn)制數(shù)的過程。 經(jīng)過經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，時間和幅值均為連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為時間和轉(zhuǎn)換，時間和幅值均為連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為時間和幅值均為離散的數(shù)字量幅值離散的時間序列）。幅值均為離散的數(shù)字量幅值離散的時間序列）。 三、數(shù)字信號處理三、數(shù)字信號處理 用計算機(jī)對幅值離散的時間序列進(jìn)行運(yùn)算處理。用計算機(jī)對幅值離散的時間序列進(jìn)行運(yùn)算處理。 在運(yùn)算處理之前，要對數(shù)據(jù)中的奇異點(diǎn)進(jìn)行剔除，可以通過專在運(yùn)算處理之前，要對數(shù)據(jù)中的奇異點(diǎn)進(jìn)行剔除

5、，可以通過專門的程序進(jìn)行數(shù)字濾波。門的程序進(jìn)行數(shù)字濾波。 四、結(jié)果顯示或打印四、結(jié)果顯示或打印第二節(jié)第二節(jié) 信號數(shù)字化的有關(guān)問題信號數(shù)字化的有關(guān)問題 數(shù)字信號處理需要先把一個連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)字信號處理需要先把一個連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后由計算機(jī)進(jìn)行信號處理，從中提取有用信息。信號數(shù)信號，然后由計算機(jī)進(jìn)行信號處理，從中提取有用信息。信號數(shù)字化過程可能引起信號和信號所蘊(yùn)含信息的失真。字化過程可能引起信號和信號所蘊(yùn)含信息的失真。 一、計算機(jī)數(shù)據(jù)采集的原理一、計算機(jī)數(shù)據(jù)采集的原理 1. 數(shù)據(jù)采集的方式數(shù)據(jù)采集的方式 計算機(jī)數(shù)據(jù)采集一般用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)。計算機(jī)數(shù)據(jù)采集一般用數(shù)

6、據(jù)采集卡實現(xiàn)。A/D轉(zhuǎn)換過程示意圖轉(zhuǎn)換過程示意圖 二、時域采樣、混疊和采樣定理二、時域采樣、混疊和采樣定理 采樣是把連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間序列的過程。這一過程采樣是把連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間序列的過程。這一過程相當(dāng)于在連續(xù)時間信號上摘取許多離散時刻上的信號瞬時值。相當(dāng)于在連續(xù)時間信號上摘取許多離散時刻上的信號瞬時值。 注意：采樣只是注意：采樣只是 A/D 轉(zhuǎn)換的一個環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)換的一個環(huán)節(jié)。 在數(shù)學(xué)處理上，采樣可以看作是以等時距在數(shù)學(xué)處理上，采樣可以看作是以等時距 TS的單位脈沖序列的單位脈沖序列梳狀函數(shù)去乘連續(xù)時間信號梳狀函數(shù)去乘連續(xù)時間信號 x(t)。nsnTttxtstx)()()()(s

7、 (t)即前面講過即前面講過的的comp( t, nTS ) 這樣相乘的結(jié)果，相當(dāng)于長度為這樣相乘的結(jié)果，相當(dāng)于長度為 T 的連續(xù)時間信號的連續(xù)時間信號 x ( t ) 從從 t=0 點(diǎn)開始采樣，得到離散時間序列點(diǎn)開始采樣，得到離散時間序列 x ( n ) )()(SnTxnxx ( t )x ( nTS)(Sfnx 在采樣時，采樣間隔的選擇是一個重要問題：在采樣時，采樣間隔的選擇是一個重要問題： 采樣間隔太小采樣頻率高），對定長時間來說，采集的采樣間隔太小采樣頻率高），對定長時間來說，采集的數(shù)據(jù)量大，計算工作量大；對數(shù)字序列長度一定來說，則只能處數(shù)據(jù)量大，計算工作量大；對數(shù)字序列長度一定來說

8、，則只能處理較短的時間歷程。理較短的時間歷程。 采樣間隔過大采樣頻率過低），可能丟掉有用的信息，采樣間隔過大采樣頻率過低），可能丟掉有用的信息，對高頻信號出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。對高頻信號出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。 所謂混疊現(xiàn)象是在頻域上才能觀察到的現(xiàn)象。所謂混疊現(xiàn)象是在頻域上才能觀察到的現(xiàn)象。 在時域上采樣間隔為在時域上采樣間隔為 TS 的時間序列，在頻域上變?yōu)轭l率間隔的時間序列，在頻域上變?yōu)轭l率間隔為為 1 / TS= fS 的周期函數(shù)。的周期函數(shù)。 如果在時域內(nèi)采樣間隔如果在時域內(nèi)采樣間隔 TS 過大，即采樣頻率低，則在頻域上過大，即采樣頻率低，則在頻域上造成兩個周期函數(shù)混疊的現(xiàn)象。信號混疊后再轉(zhuǎn)換回時域時，

9、就造成兩個周期函數(shù)混疊的現(xiàn)象。信號混疊后再轉(zhuǎn)換回時域時，就會出現(xiàn)信號失真。會出現(xiàn)信號失真。 為了避免出現(xiàn)頻率混疊：為了避免出現(xiàn)頻率混疊： 首先，通過低通濾波器濾去高頻成分，使其成為帶限信號。首先，通過低通濾波器濾去高頻成分，使其成為帶限信號。 其次，要使采樣頻率其次，要使采樣頻率hsff2Shannon香農(nóng)采樣定理香農(nóng)采樣定理在工程實際測試中，常用在工程實際測試中，常用hsff)105(注意：注意： 計算機(jī)數(shù)據(jù)采集的采樣頻率達(dá)到計算機(jī)數(shù)據(jù)采集的采樣頻率達(dá)到 400 kHz 很平常。很平常。 計算機(jī)數(shù)據(jù)采集可用計算機(jī)數(shù)據(jù)采集可用 DMA直接存入硬盤方式。直接存入硬盤方式。 三、截斷、泄漏和窗函數(shù)

10、三、截斷、泄漏和窗函數(shù) 在信號處理中，我們只能對有限長的信號進(jìn)行處理，因此必在信號處理中，我們只能對有限長的信號進(jìn)行處理，因此必須截斷過長的信號時間歷程。須截斷過長的信號時間歷程。 從數(shù)學(xué)上，截斷就是將信號乘以時域的有限矩形窗函數(shù)。從數(shù)學(xué)上，截斷就是將信號乘以時域的有限矩形窗函數(shù)。 在數(shù)學(xué)上，在數(shù)學(xué)上，x ( t ) s ( t ) 表示對連續(xù)信號表示對連續(xù)信號 x ( t )進(jìn)行采樣，得到進(jìn)行采樣，得到的是離散的時間序列信號）。的是離散的時間序列信號）。 從采樣信號從采樣信號x ( t ) s ( t ) 上截取一段，就相當(dāng)于在時域中用矩上截取一段，就相當(dāng)于在時域中用矩形窗函數(shù)形窗函數(shù) w

11、( t ) 乘采樣后的信號，其時域、頻域的相應(yīng)關(guān)系為乘采樣后的信號，其時域、頻域的相應(yīng)關(guān)系為)(*)(*)()()()(fWfSfXtwtstx 前面已講過，矩形窗函數(shù)前面已講過，矩形窗函數(shù) w ( t ) 的傅氏變換的傅氏變換W ( f ) 是一個無是一個無限帶寬的信號。限帶寬的信號。 因而，即便因而，即便 x ( t ) 是帶限信號，截斷后也必然成為無限帶寬是帶限信號，截斷后也必然成為無限帶寬的信號。這種信號的能量在頻率軸分布擴(kuò)展的現(xiàn)象稱為泄露。的信號。這種信號的能量在頻率軸分布擴(kuò)展的現(xiàn)象稱為泄露。 用矩形窗函數(shù)截斷后，做離散變量傅立葉變換用矩形窗函數(shù)截斷后，做離散變量傅立葉變換DFT時，

12、時，兩端信號失真大。兩端信號失真大。 由于，截斷后信號帶寬變?yōu)闊o限帶寬，無論采樣頻率多高，信由于，截斷后信號帶寬變?yōu)闊o限帶寬，無論采樣頻率多高，信號總是不可避免地出現(xiàn)混疊。因而，信號截斷必然導(dǎo)致一些誤差。號總是不可避免地出現(xiàn)混疊。因而，信號截斷必然導(dǎo)致一些誤差。 為了減小用矩形窗函數(shù)進(jìn)行截斷的影響，常采用其它的時窗為了減小用矩形窗函數(shù)進(jìn)行截斷的影響，常采用其它的時窗函數(shù)時域內(nèi)的窗函數(shù)對所截取的時域信號進(jìn)行加權(quán)處理。因函數(shù)時域內(nèi)的窗函數(shù)對所截取的時域信號進(jìn)行加權(quán)處理。因而窗函數(shù)的合理選擇也是信號處理中的重要問題。而窗函數(shù)的合理選擇也是信號處理中的重要問題。 四、常用的窗函數(shù)四、常用的窗函數(shù) 為了

13、減小或抑止泄漏，可以采用不同形式的窗函數(shù)來對時域為了減小或抑止泄漏，可以采用不同形式的窗函數(shù)來對時域信號進(jìn)行加權(quán)處理。信號進(jìn)行加權(quán)處理。 選擇窗函數(shù)的原則是：選擇窗函數(shù)的原則是： （1其頻譜的主瓣寬度要小其頻譜的主瓣寬度要小可提高頻率分辨能力可提高頻率分辨能力 （2其頻譜的旁瓣幅度要小其頻譜的旁瓣幅度要小可減小泄漏可減小泄漏 因而，窗函數(shù)的優(yōu)劣可從以下方面來評價：因而，窗函數(shù)的優(yōu)劣可從以下方面來評價： （1最大旁瓣峰值與主瓣峰值之比考察泄漏程度）最大旁瓣峰值與主瓣峰值之比考察泄漏程度） （2最大旁瓣最大旁瓣 10 倍頻程衰減率考察泄漏程度）倍頻程衰減率考察泄漏程度） （3主瓣寬度考察頻率分辨能

14、力）主瓣寬度考察頻率分辨能力） 下面介紹幾種窗函數(shù)的特點(diǎn)。下面介紹幾種窗函數(shù)的特點(diǎn)。 1. 矩形窗矩形窗 1 | t | T / 2)(sin)(fTcTfW進(jìn)行傅氏變換后，得到頻譜函數(shù)進(jìn)行傅氏變換后，得到頻譜函數(shù) W ( f ) 在信號處理時，矩形窗是使用最多的窗函數(shù)，凡是將信號截在信號處理時，矩形窗是使用最多的窗函數(shù)，凡是將信號截斷、分塊都相當(dāng)于對信號加了矩形窗。斷、分塊都相當(dāng)于對信號加了矩形窗。 矩形窗的矩形窗的1主瓣高為主瓣高為 T，寬為，寬為 2 / T（2第一旁瓣幅值為第一旁瓣幅值為 13db相當(dāng)于主瓣高的相當(dāng)于主瓣高的20）（3旁瓣衰減率為旁瓣衰減率為 20db / 10 倍頻程

15、倍頻程 2. 三角窗三角窗 三角窗的定義為三角窗的定義為)(twTtT2102Tt 2Tt 三角窗的頻譜為三角窗的頻譜為)2(sin2)(2fTcTfWT 三角窗三角窗1主瓣高為主瓣高為 T / 2 ，寬為，寬為 4 / T；（2第一旁瓣為第一旁瓣為 27 db為主瓣的為主瓣的 4.5 %）；）；（3旁瓣低，不會出現(xiàn)負(fù)值。旁瓣低，不會出現(xiàn)負(fù)值。 3. 漢寧窗余弦窗）漢寧窗余弦窗） 漢寧窗定義為漢寧窗定義為)(tw)2cos(2121Tt02Tt 2Tt 漢寧窗的頻譜為漢寧窗的頻譜為)1()1(41)(21)(TfWTfWfWfWRRR 漢寧窗漢寧窗1主瓣高為主瓣高為 T / 2，寬為，寬為 4 / T；（2第一旁瓣幅值為第一旁瓣幅值為32db，約為主瓣高的，約為主瓣高的 2.4 %；（3旁瓣衰減率為旁瓣衰減率為 60 db / 10倍頻程。倍頻程。 4. 指數(shù)窗指數(shù)窗 指數(shù)窗的定義為指數(shù)窗的定義為)(twate00t0t)0( a指數(shù)窗的幅頻譜為指數(shù)窗的幅頻