2.1第章節(jié)ppt課件

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

2、理。 模擬信號(hào)處理是通過一系列能夠?qū)崿F(xiàn)模擬運(yùn)算的電路來實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)處理是通過一系列能夠?qū)崿F(xiàn)模擬運(yùn)算的電路來實(shí)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(hào)處理也可作為數(shù)字信號(hào)處理的預(yù)處理，例如進(jìn)行濾波、限幅、信號(hào)處理也可作為數(shù)字信號(hào)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(hào)處理在計(jì)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(hào)處理在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，通過運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來處理信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理具有穩(wěn)定、靈敏、快速、高效、設(shè)備體積小、信號(hào)。數(shù)字信號(hào)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(hào)處理的基本步驟數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟 數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟如下圖所示。數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟如下圖所示。 一、信號(hào)的預(yù)處理一、信號(hào)的預(yù)處理 信號(hào)的預(yù)處理主要包括：信號(hào)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(hào)電壓值調(diào)轉(zhuǎn)換的量程要求，把信號(hào)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(hào)中的噪聲，提高信噪比。濾去信號(hào)中的噪聲，提高信噪比。 隔直隔直隔離信號(hào)中的直流分量主要是針對(duì)振動(dòng)測(cè)試）。隔離信號(hào)中的直流分量主要是針對(duì)振動(dòng)測(cè)試）。 解調(diào)解調(diào)如果原信號(hào)是經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)

4、。如果原信號(hào)是經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)。 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(hào)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(hào)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(shí)間和幅值均為連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間和轉(zhuǎn)換，時(shí)間和幅值均為連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間和幅值均為離散的數(shù)字量幅值離散的時(shí)間序列）。幅值均為離散的數(shù)字量幅值離散的時(shí)間序列）。 三、數(shù)字信號(hào)處理三、數(shù)字信號(hào)處理 用計(jì)算機(jī)對(duì)幅值離散的時(shí)間序列進(jìn)行運(yùn)算處理。用計(jì)算機(jī)對(duì)幅值離散的時(shí)間序列進(jìn)行運(yùn)算處理。 在運(yùn)算處理之前，要對(duì)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(duì)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(hào)數(shù)字化的有關(guān)問題信號(hào)數(shù)字化的有關(guān)問題 數(shù)字信號(hào)處理需要先把一個(gè)連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)處理需要先把一個(gè)連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，從中提取有用信息。信號(hào)數(shù)信號(hào)，然后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，從中提取有用信息。信號(hào)數(shù)字化過程可能引起信號(hào)和信號(hào)所蘊(yùn)含信息的失真。字化過程可能引起信號(hào)和信號(hào)所蘊(yùn)含信息的失真。 一、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集的原理一、計(jì)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集一般用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集一般用數(shù)

6、據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。A/D轉(zhuǎn)換過程示意圖轉(zhuǎn)換過程示意圖 二、時(shí)域采樣、混疊和采樣定理二、時(shí)域采樣、混疊和采樣定理 采樣是把連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間序列的過程。這一過程采樣是把連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間序列的過程。這一過程相當(dāng)于在連續(xù)時(shí)間信號(hào)上摘取許多離散時(shí)刻上的信號(hào)瞬時(shí)值。相當(dāng)于在連續(xù)時(shí)間信號(hào)上摘取許多離散時(shí)刻上的信號(hào)瞬時(shí)值。 注意：采樣只是注意：采樣只是 A/D 轉(zhuǎn)換的一個(gè)環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)換的一個(gè)環(huán)節(jié)。 在數(shù)學(xué)處理上，采樣可以看作是以等時(shí)距在數(shù)學(xué)處理上，采樣可以看作是以等時(shí)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(shí)間信號(hào)梳狀函數(shù)去乘連續(xù)時(shí)間信號(hào) 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(zhǎng)度為這樣相乘的結(jié)果，相當(dāng)于長(zhǎng)度為 T 的連續(xù)時(shí)間信號(hào)的連續(xù)時(shí)間信號(hào) x ( t ) 從從 t=0 點(diǎn)開始采樣，得到離散時(shí)間序列點(diǎn)開始采樣，得到離散時(shí)間序列 x ( n ) )()(SnTxnxx ( t )x ( nTS)(Sfnx 在采樣時(shí)，采樣間隔的選擇是一個(gè)重要問題：在采樣時(shí)，采樣間隔的選擇是一個(gè)重要問題： 采樣間隔太小采樣頻率高），對(duì)定長(zhǎng)時(shí)間來說，采集的采樣間隔太小采樣頻率高），對(duì)定長(zhǎng)時(shí)間來說，采集的數(shù)據(jù)量大，計(jì)算工作量大；對(duì)數(shù)字序列長(zhǎng)度一定來說，則只能處數(shù)據(jù)量大，計(jì)算工作量大；對(duì)數(shù)字序列長(zhǎng)度一定來說

8、，則只能處理較短的時(shí)間歷程。理較短的時(shí)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(duì)高頻信號(hào)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。對(duì)高頻信號(hào)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(shí)域上采樣間隔為在時(shí)域上采樣間隔為 TS 的時(shí)間序列，在頻域上變?yōu)轭l率間隔的時(shí)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(shí)域內(nèi)采樣間隔如果在時(shí)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(gè)周期函數(shù)混疊的現(xiàn)象。信號(hào)混疊后再轉(zhuǎn)換回時(shí)域時(shí)，

9、就造成兩個(gè)周期函數(shù)混疊的現(xiàn)象。信號(hào)混疊后再轉(zhuǎn)換回時(shí)域時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失真。會(huì)出現(xiàn)信號(hào)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(hào)。首先，通過低通濾波器濾去高頻成分，使其成為帶限信號(hào)。 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(shí)際測(cè)試中，常用在工程實(shí)際測(cè)試中，常用hsff)105(注意：注意： 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集的采樣頻率達(dá)到計(jì)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集可用計(jì)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?cái)?、泄漏和窗函?shù)

10、三、截?cái)?、泄漏和窗函?shù) 在信號(hào)處理中，我們只能對(duì)有限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行處理，因此必在信號(hào)處理中，我們只能對(duì)有限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行處理，因此必須截?cái)噙^長(zhǎng)的信號(hào)時(shí)間歷程。須截?cái)噙^長(zhǎng)的信號(hào)時(shí)間歷程。 從數(shù)學(xué)上，截?cái)嗑褪菍⑿盘?hào)乘以時(shí)域的有限矩形窗函數(shù)。從數(shù)學(xué)上，截?cái)嗑褪菍⑿盘?hào)乘以時(shí)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(duì)連續(xù)信號(hào)表示對(duì)連續(xù)信號(hào) x ( t )進(jìn)行采樣，得到進(jìn)行采樣，得到的是離散的時(shí)間序列信號(hào)）。的是離散的時(shí)間序列信號(hào)）。 從采樣信號(hào)從采樣信號(hào)x ( t ) s ( t ) 上截取一段，就相當(dāng)于在時(shí)域中用矩上截取一段，就相當(dāng)于在時(shí)域中用矩形窗函數(shù)形窗函數(shù) w

11、( t ) 乘采樣后的信號(hào)，其時(shí)域、頻域的相應(yīng)關(guān)系為乘采樣后的信號(hào)，其時(shí)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(gè)無(wú)是一個(gè)無(wú)限帶寬的信號(hào)。限帶寬的信號(hào)。 因而，即便因而，即便 x ( t ) 是帶限信號(hào)，截?cái)嗪笠脖厝怀蔀闊o(wú)限帶寬是帶限信號(hào)，截?cái)嗪笠脖厝怀蔀闊o(wú)限帶寬的信號(hào)。這種信號(hào)的能量在頻率軸分布擴(kuò)展的現(xiàn)象稱為泄露。的信號(hào)。這種信號(hào)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?cái)嗪?，做離散變量傅立葉變換用矩形窗函數(shù)截?cái)嗪?，做離散變量傅立葉變換DFT時(shí)，

12、時(shí)，兩端信號(hào)失真大。兩端信號(hào)失真大。 由于，截?cái)嗪笮盘?hào)帶寬變?yōu)闊o(wú)限帶寬，無(wú)論采樣頻率多高，信由于，截?cái)嗪笮盘?hào)帶寬變?yōu)闊o(wú)限帶寬，無(wú)論采樣頻率多高，信號(hào)總是不可避免地出現(xiàn)混疊。因而，信號(hào)截?cái)啾厝粚?dǎo)致一些誤差。號(hào)總是不可避免地出現(xiàn)混疊。因而，信號(hào)截?cái)啾厝粚?dǎo)致一些誤差。 為了減小用矩形窗函數(shù)進(jìn)行截?cái)嗟挠绊?，常采用其它的時(shí)窗為了減小用矩形窗函數(shù)進(jìn)行截?cái)嗟挠绊?，常采用其它的時(shí)窗函數(shù)時(shí)域內(nèi)的窗函數(shù)對(duì)所截取的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理。因函數(shù)時(shí)域內(nèi)的窗函數(shù)對(duì)所截取的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理。因而窗函數(shù)的合理選擇也是信號(hào)處理中的重要問題。而窗函數(shù)的合理選擇也是信號(hào)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(duì)時(shí)域?yàn)榱藴p小或抑止泄漏，可以采用不同形式的窗函數(shù)來對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理。信號(hào)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(píng)價(jià)：因而，窗函數(shù)的優(yōu)劣可從以下方面來評(píng)價(jià)： （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(hào)處理時(shí)，矩形窗是使用最多的窗函數(shù)，凡是將信號(hào)截在信號(hào)處理時(shí)，矩形窗是使用最多的窗函數(shù)，凡是將信號(hào)截?cái)唷⒎謮K都相當(dāng)于對(duì)信號(hào)加了矩形窗。斷、分塊都相當(dāng)于對(duì)信號(hào)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(huì)出現(xiàn)負(fù)值。旁瓣低，不會(huì)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