數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)PPT學(xué)習(xí)教案

1、數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)2 2、測(cè)試信號(hào)數(shù)字化處理的基本步驟測(cè)試信號(hào)數(shù)字化處理的基本步驟 物理信號(hào)物理信號(hào)對(duì)象對(duì)象傳傳感感器器電信號(hào)電信號(hào)預(yù)預(yù)處處理理電信號(hào)電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)分析技術(shù)分析技術(shù)顯顯示示D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換控控制制預(yù)處理：目的:把信號(hào)調(diào)理成適宜進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的形式環(huán)節(jié)：電壓幅值調(diào)理、濾波、隔直、解調(diào)； A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程 采樣、量化、編碼（二進(jìn)制轉(zhuǎn)化）數(shù)字信號(hào)分析頻譜、相關(guān)、功率譜、模態(tài)第1頁(yè)/共20頁(yè)3 3、數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)、數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì) 1)1)用數(shù)學(xué)計(jì)算和計(jì)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(jì)算和計(jì)算機(jī)顯示代替復(fù)雜的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)

2、2)2)計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展的有力推動(dòng)計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展的有力推動(dòng) 第2頁(yè)/共20頁(yè)十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制幅值域離散幅值域離散4. A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程轉(zhuǎn)換過(guò)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(shí)間信號(hào)，從連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號(hào)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號(hào)x(nTs)x(nTs)的過(guò)的過(guò)程程 編碼編碼將離散幅值經(jīng)過(guò)量化以后變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字的過(guò)將離散幅值經(jīng)過(guò)量化以后變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字的過(guò)程。程。 量化量化把采樣信號(hào)把采樣信號(hào)x x（nTsnTs）經(jīng)過(guò)舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€(gè)有）經(jīng)過(guò)舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€(gè)有效數(shù)字的數(shù)，這一過(guò)程

3、稱為量化效數(shù)字的數(shù)，這一過(guò)程稱為量化時(shí)域離散時(shí)域離散采樣頻率采樣頻率?量化誤差量化誤差?二進(jìn)制二進(jìn)制?第3頁(yè)/共20頁(yè)量化誤差圖示量化誤差圖示量化誤差：量化誤差：計(jì)算方法計(jì)算方法0-10V0-10V，8 8位位A/DA/D誤差：誤差：20mv20mv 第4頁(yè)/共20頁(yè)4. A/D轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的指標(biāo) 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。常用有誤差越小，分辨力越高。常用有8位、位、10位、位、12位、位、16位等。位等。2)轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間，如指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間，如:1ms

4、(1KHz)；3)模擬信號(hào)的輸入范圍模擬信號(hào)的輸入范圍 如，如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。等。第5頁(yè)/共20頁(yè)nnTttg)()(skssTkfT)(1x(t)FTIFTX(f)nnTtxtgtxnx)()()()(sksskffXTfGfXtgtx)(1)()()()(采樣過(guò)程關(guān)鍵問(wèn)題：采樣過(guò)程關(guān)鍵問(wèn)題：采樣頻率的確定采樣頻率的確定二二 時(shí)域采樣及采樣定理時(shí)域采樣及采樣定理 1 1 采樣信號(hào)的頻譜采樣信號(hào)的頻譜 采樣過(guò)程是采樣過(guò)程是將采樣脈沖序列將采樣脈沖序列g(shù)(t) （即（即comb（t,Ts），），F(xiàn)s=1/Ts為采為采樣頻率）樣頻率）與信號(hào)與信號(hào)x(t)相乘相乘采樣函

5、數(shù)采樣函數(shù)采樣采樣DFTIDFT第6頁(yè)/共20頁(yè)第7頁(yè)/共20頁(yè)2.2.混疊現(xiàn)象混疊現(xiàn)象 頻域解釋頻域解釋時(shí)域解釋時(shí)域解釋第8頁(yè)/共20頁(yè)3.3.采樣定理采樣定理 為保證采樣后信號(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)信息，信號(hào)采樣頻率必須至少為原信號(hào)中最高頻率成分的為保證采樣后信號(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)信息，信號(hào)采樣頻率必須至少為原信號(hào)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。fs2fmax 需要注意的是，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，滿足了采樣定理，只能保需要注意的是，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，滿足了采樣定理，只能保證不發(fā)生頻率混疊，只能保證對(duì)信號(hào)的頻譜作逆傅立

6、葉變換時(shí)，證不發(fā)生頻率混疊，只能保證對(duì)信號(hào)的頻譜作逆傅立葉變換時(shí)，可以完全變換為原時(shí)域采樣信號(hào)可以完全變換為原時(shí)域采樣信號(hào)xs(t)xs(t)，而不能保證此時(shí)的采樣，而不能保證此時(shí)的采樣信號(hào)能真實(shí)地反映原信號(hào)信號(hào)能真實(shí)地反映原信號(hào)x(t)x(t)。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信號(hào)中最高頻率成分的號(hào)中最高頻率成分的3 3到到4 4倍，甚至倍，甚至1010倍以上倍以上。第9頁(yè)/共20頁(yè)頻混計(jì)算：頻混計(jì)算： FsFsFsFs頻混頻混正常正常Fs/2工程處理：工程處理：Fs/2為折疊頻率為折疊頻率第10頁(yè)/共20頁(yè)概念介紹概念介紹: :抗混迭濾波：抗混迭濾波： 物理信號(hào)物理

7、信號(hào)對(duì)象對(duì)象傳傳感感器器電信號(hào)電信號(hào)信信號(hào)號(hào)調(diào)調(diào)制制電信號(hào)電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)顯顯示示展開展開低通濾波低通濾波(0-Fs/2)放大放大第11頁(yè)/共20頁(yè)四四 信號(hào)的截?cái)?、能量泄漏、窗函?shù)信號(hào)的截?cái)?、能量泄漏、窗函?shù) 為便于數(shù)學(xué)處理，通常對(duì)截?cái)嗟男盘?hào)做周期延拓，得到虛擬的為便于數(shù)學(xué)處理，通常對(duì)截?cái)嗟男盘?hào)做周期延拓，得到虛擬的無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)。無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)。 當(dāng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試信號(hào)處理時(shí)，不可能對(duì)無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析，這個(gè)信號(hào)截取過(guò)程成為當(dāng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試信號(hào)處理時(shí)，不可能對(duì)無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析

8、，這個(gè)信號(hào)截取過(guò)程成為信號(hào)的截?cái)?。信?hào)的截?cái)唷?方法方法: :乘窗函數(shù)乘窗函數(shù)第12頁(yè)/共20頁(yè) 周期延拓后的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)是不同的，下面我們就從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看這種處理帶來(lái)的誤差情況。周期延拓后的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)是不同的，下面我們就從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看這種處理帶來(lái)的誤差情況。 設(shè)有余弦信號(hào)設(shè)有余弦信號(hào)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，得到截?cái)嘈盘?hào)與其相乘，得到截?cái)嘈盘?hào): y: y(t) =x(t)w(t) (t) =x(t)w(t) 將截?cái)嘈盘?hào)譜將截?cái)嘈盘?hào)譜 X XT T()()與原始信號(hào)譜與原始信號(hào)譜X()X()相相比較可知，它已不是原比較可知，它已不是原來(lái)

9、的兩條譜線，而是兩來(lái)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(lái)原來(lái)集中在集中在f0f0處的能量被分處的能量被分散到兩個(gè)較寬的頻帶中散到兩個(gè)較寬的頻帶中去了，這種現(xiàn)象稱之為去了，這種現(xiàn)象稱之為頻譜頻譜能量泄漏。能量泄漏。第13頁(yè)/共20頁(yè)由由截?cái)喈a(chǎn)生泄漏截?cái)喈a(chǎn)生泄漏是是必然必然的，因截?cái)嗪蟮男盘?hào)為無(wú)限帶寬函數(shù)，即信號(hào)的的，因截?cái)嗪蟮男盘?hào)為無(wú)限帶寬函數(shù)，即信號(hào)的頻域能量分布被擴(kuò)展頻域能量分布被擴(kuò)展了；截?cái)嘁鹦孤?，必然?dǎo)致了；截?cái)嘁鹦孤?，必然?dǎo)致誤差，不可避免誤差，不可避免。減小泄漏減小泄漏：增大窗的寬度和選擇好的窗函數(shù)增大窗的寬度和選擇好的窗函數(shù)分析原因分析原因主瓣泄漏與旁瓣泄

10、漏主瓣泄漏與旁瓣泄漏第14頁(yè)/共20頁(yè) 能量泄漏分主瓣泄漏和旁瓣泄漏，主瓣泄漏可以減小因柵欄效應(yīng)帶來(lái)的譜峰幅值估計(jì)誤差，有其好的一面，而旁瓣泄漏則是完全有害的。能量泄漏分主瓣泄漏和旁瓣泄漏，主瓣泄漏可以減小因柵欄效應(yīng)帶來(lái)的譜峰幅值估計(jì)誤差，有其好的一面，而旁瓣泄漏則是完全有害的。大主瓣的窗函數(shù)泄漏少大主瓣的窗函數(shù)泄漏少, ,由截?cái)鄮?lái)的誤差小由截?cái)鄮?lái)的誤差小第15頁(yè)/共20頁(yè)常用的窗函數(shù)常用的窗函數(shù) 類型：類型：1.冪窗：如矩形、三角形、梯形等冪窗：如矩形、三角形、梯形等2.三角函數(shù)窗三角函數(shù)窗 ：如漢寧窗、海明窗：如漢寧窗、海明窗3.指數(shù)窗：如高斯窗指數(shù)窗：如高斯窗1 1）矩形窗）矩形窗 ( )sin()RWfTCfT特點(diǎn):主瓣窄(分辨率高),旁瓣大(泄漏大)應(yīng)用:獲得精確頻譜主峰頻率 屬于時(shí)間變量的0冪次窗第16頁(yè)/共20頁(yè)2）三角窗（費(fèi)杰）三角窗（費(fèi)杰feijer窗）窗） 特點(diǎn):主瓣寬(矩2倍),旁瓣小且無(wú)負(fù)值，所以泄漏比矩形窗小3 3）漢寧（）漢寧（hanninghanning）窗）窗特點(diǎn):主瓣T/2(矩一半),寬4/T(矩一倍),旁瓣小,明顯抑制泄漏,分辨力差應(yīng)用:DFT周期延拓,平滑并削弱信號(hào)兩端抑制泄漏 第17頁(yè)/共20頁(yè)( )0teW t4 4）指數(shù)窗00tt 0221( )(2)W ff特點(diǎn):主瓣很寬,無(wú)旁瓣,分辨力低應(yīng)用:脈沖響應(yīng),抑