第部分 信號處理初步

第五章信號處理初步本章學(xué)習(xí)要求：1.了解數(shù)字信號處理系統(tǒng)的組成2.了解信號數(shù)字化出現(xiàn)的問題3.掌握采樣定理4.掌握相關(guān)分析方法信號處理的目的：1)分離信、噪，提高信噪比；2)從信號中提取有用的特征信號；3)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。測試工作的目的：是獲取反映被測對象的狀態(tài)和特征的信息。但是有用的信號總是和各種噪聲混雜在一起的，有時本身也不明顯，難以直接識別和利用。只有分離信、噪，并經(jīng)過必要的處理和分析、清除和修正系統(tǒng)誤差之后，才能比較準(zhǔn)確地提取測得信號中所含的有用信息。第五章信號處理初步模擬信號處理系統(tǒng)數(shù)字信號處理系統(tǒng)方法模擬信號處理系統(tǒng)：由一系列能實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)算的電路，諸如模擬濾波器、乘法器、微分放大器等環(huán)節(jié)組成。其中大部分環(huán)節(jié)在前行課程和前面幾章中已有討論。模擬信號處理也作為數(shù)字信號處理的前奏，例如濾波、限幅、隔直、解調(diào)等預(yù)處理。數(shù)字處理之后也常需作模擬顯示、記錄等。數(shù)字信號處理系統(tǒng)：是用數(shù)字方法處理信號，它既可在通用計(jì)算機(jī)上借助程序來實(shí)現(xiàn)，也可以用專用信號處理機(jī)來完成。數(shù)字信號處理機(jī)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(diǎn)，在各行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。第五章信號處理初步第一節(jié)數(shù)字信號處理的基本步驟

信號的預(yù)處理是把信號變成適于數(shù)字處理的形式，以減輕數(shù)字處理的困難。預(yù)處理包括:

1)電壓幅值調(diào)理，以便適宜于采樣，總是希望電壓峰-峰值足夠大，以便充分利用AD轉(zhuǎn)換器的精確度。2)必要的濾波，以提高信噪比，并濾去信號中的高頻噪聲。

3)隔離信號中的直流分量（如果所測信號中不應(yīng)有直流分量）。4)如原信號經(jīng)過調(diào)制，則應(yīng)先行解調(diào)。

預(yù)處理環(huán)節(jié)應(yīng)根據(jù)測試對象、信號特點(diǎn)和數(shù)字處理設(shè)備的能力妥善安排。模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換是模擬信號經(jīng)采樣、量化并轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的過程。第五章信號處理初步數(shù)字信號處理主要包括：

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(yùn)算來對這些數(shù)字序列進(jìn)行處理。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。X(0)X(1)X(2)X(3)X(4)數(shù)字信號處理的基本步驟tA0A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號處理器或計(jì)算機(jī)對離散的時間序列進(jìn)行運(yùn)算處理。計(jì)算機(jī)只能處理有限長度的數(shù)據(jù)，所以首先要把長時間的序列截?cái)?，對截取的?shù)字序列有時還要人為地進(jìn)行加權(quán)(乘以窗函數(shù))以成為新的有限長的序列，對數(shù)據(jù)中的奇異點(diǎn)(由于強(qiáng)干擾或信號丟失引起的數(shù)據(jù)突變)應(yīng)予以剔除。對溫漂、時漂等系統(tǒng)性干擾所引起的趨勢項(xiàng)(周期大于記錄長度的頻率成分)也應(yīng)予以分離。如有必要，還可以設(shè)計(jì)專門的程序來進(jìn)行數(shù)字濾波，然后把數(shù)據(jù)按給定的程序進(jìn)行運(yùn)算，完成各種分析。物理信號對象傳感器放大等預(yù)處理A

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D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號顯示D

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A轉(zhuǎn)換控制物理信號模擬信號計(jì)算機(jī)模擬信號模擬信號數(shù)字信號處理的基本步驟數(shù)字信號處理的優(yōu)勢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)數(shù)字信號處理的基本步驟2)計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展的有力推動a)多種多樣的工業(yè)用計(jì)算機(jī)。

數(shù)字信號處理的基本步驟b)靈活、方便的計(jì)算機(jī)虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)數(shù)字信號處理的基本步驟第二素節(jié)短信號吊數(shù)字喘化出池現(xiàn)的足問題1.信號搖數(shù)字企化處崗理過而程數(shù)字振信號近處理森首先裝把一塞個連毫續(xù)變?yōu)郴恼衲M挺信號孟轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)為數(shù)恩字信著號，拍然后猴由計(jì)架算機(jī)霞處理界，從緞中提鮮取有如關(guān)的柜信息劃。信相號數(shù)組字化慮過程每包含能著一得系列鵝步驟呼，每蠶一步店驟都酬可以昂引起飛信號捉和其膝蘊(yùn)含橫信息春的失定真。耗現(xiàn)以啞計(jì)算婦一個閘模擬綢信號胃的頻窄譜為票例來雹說明撥有關(guān)晝的問乳題。第五錦章闖信號蹲處理吸初步信號鑄數(shù)字項(xiàng)化出奴現(xiàn)的覽問題信號卡數(shù)字平化出得現(xiàn)的械問題2.時域令采樣巨、混潮疊和盼采樣采定理采樣禍?zhǔn)菍U采樣拌脈沖嚇序列p(t)與信倒號x(t)相乘狹，取業(yè)離散睛點(diǎn)x(nTs)的值淋的過掙程。采樣獻(xiàn)定理X(妨0)已,易X(齡1)片,往X北(2暑),色……斤,鏟X傍(n茂)采樣的定理每周期志應(yīng)該別有多績少采鹽樣點(diǎn)頸？最少2點(diǎn):采樣否定理采樣本定理頻域碗解釋采樣善定理0t0f0t0ft00fx(t)|X(f)|采樣茄定理采樣調(diào)定理為保悠證采醒樣后鼠信號揭能真競實(shí)地恩保留朱原始恢模擬足信號家信息聚，信芝號采殿樣頻蔬率必禾須至擦少為鎮(zhèn)原信騎號中最高稱頻率拳成分撞的2倍。這獻(xiàn)是采稍樣的廢基本粒法則基，稱樣為采樣貪定理。fs＞2fh需注兄意，棕滿足菠采樣事定理沒，只哀保證伙不發(fā)屯生頻墳率混紹疊，膚而不推能保烈證此圣時的濕采樣汁信號客能真賓實(shí)地巨反映闖原信廈號x(t)。工程吊實(shí)際從中采茄樣頻秧率通濃常大源于信號悟中最方高頻罰率成鐘分的3到5倍。采樣械定理頻率抱混疊斑：FsFsFsFs頻混正常Fs/2工程處理采樣經(jīng)定理A/性D采樣紋前的網(wǎng)抗混譽(yù)疊濾僑波：物理信號對象傳感器電信號放大調(diào)理電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號展開低通濾波(0~Fs/2)放大采樣臟定理3.量化既與量議化誤遠(yuǎn)差采樣―利用撒采樣屬脈沖蓮序列，從信崇號中務(wù)抽取毛一系忍列離散舞值，色使之倚成為蘭采樣逢信號x(nTs)的過摧程。編碼―將經(jīng)督過量犬化的附值變什為二姥進(jìn)制再數(shù)字斥的過軟程。量化―把采渣樣信姐號經(jīng)催過舍倆入變抬為只烈有有嚼限個勻有效數(shù)字絹的數(shù)哨，這居一過湯程稱盆為量化．A/D轉(zhuǎn)換

量化萄與量角化誤手差信號的6等分量化過程4位A/認(rèn)D:X解X何X嗽XX(維1)即01鍋01X(母2)能00牌11X(訴3)袋00稅00X(癢4)煤00軟01X(羅5)檔01離00……12345678量化毫與量揮化誤往差模擬脫信號皇的輸移入范迎圍為D—動態(tài)冠工作五范圍如，0~5V，±5V，0訓(xùn)~兵10肢V，±10買V等。A/電D轉(zhuǎn)換慢器的窯位數(shù)改是一蛙定的枯。一榨個b位（孝又稱賠數(shù)據(jù)滴字長百）的柴二進(jìn)窗制數(shù)療，共屬有L=2b個數(shù)蓬碼。位數(shù)脹越多殿，量煉化誤跡差越乎小，奇分辨警力越摩高。靈常用喚有8位、10位、12位、16位等宗。以D=5殊V為例號，Dx為若最高懸位作躲為符定號位，則澇兩相波鄰量掙化電巾平之欄間的片差Dx為量化康誤差舍的最繪大值膏為±(Dx/2恨)量化算與量熄化誤斗差A(yù)/修D(zhuǎn)、D/斗A轉(zhuǎn)換奶過程萄中的墊量化莫誤差縱實(shí)驗(yàn)風(fēng)：量化輛與量迅化誤燥差第三覺節(jié)唱相關(guān)漫分析督及其呀應(yīng)用一、潑兩個埋隨機(jī)壇變量耍的相疫關(guān)系醫(yī)數(shù)通常雁，兩粒個變柳量之旱間若籠存在隊(duì)一一事對應(yīng)棄的確覺定關(guān)券系，呆則稱晝兩者配存在獵著函數(shù)竭關(guān)系。當(dāng)封兩個燭隨機(jī)罰變量煤之間永具有環(huán)某種羽關(guān)系濾時，遺隨著嗚某一諷個變礦量數(shù)據(jù)值的療確定提，另卷一變隱量卻姓可能瞎取許治多不淋同值秋，但癢取值佩有一渣定的科概率升統(tǒng)計(jì)浩規(guī)律記，這摸時稱恥兩個夫隨機(jī)值變量柿存在牙著相關(guān)茂關(guān)系。變量x和y之間螞的相蛇關(guān)程柄度常米用相豎關(guān)系刊數(shù)表譽(yù)示第五永章眠信號奧處理絡(luò)初步下圖敏分別瘦表示遠(yuǎn)了x、y兩變間量間撿的各保種關(guān)俯系情乎況。理想胃的線答性相迷關(guān)相關(guān)轟分析對各糧態(tài)歷步經(jīng)隨秧機(jī)信浙號及豆功率逐信號西可定舟義：自相董關(guān)函要數(shù)自相歸關(guān)系膨數(shù)相關(guān)惕分析周期漠信號自相糧關(guān)函債數(shù)有絨如下饒性質(zhì)拿：4）自翼相關(guān)突函數(shù)慈是偶負(fù)函數(shù)1）取屬值范煌圍2）當(dāng)t=0時，埋自相亦關(guān)函輔數(shù)具國有最緒大值捷（=均方僚值）營。3）當(dāng)t足夠翅大或t→時，作隨機(jī)誼變量x(t)和x(t+t)之間奧不存辰在內(nèi)維在聯(lián)漂系偷，彼憐此無野關(guān)，怠即5）周拾期信側(cè)號的睛自相蛾關(guān)函雨數(shù)仍戲然是墾同頻壘率的遺周期條信號發(fā)，其河幅值刻與原協(xié)信號滿有關(guān)蘭，但裹丟失擴(kuò)了原而信號陳的相番位信癥息。相關(guān)猶分析相關(guān)栗分析例5-禁1求正六弦函挖數(shù)的球自相就關(guān)函晉數(shù)周期譽(yù)信號定義崇式相關(guān)織分析相關(guān)鬼分析惕的工軌程應(yīng)磨用案例克：機(jī)罵械加攜工表究面粗少糙度握自相肺關(guān)分段析被測工件相關(guān)罰分析提葉取出強(qiáng)主軸絞回轉(zhuǎn)暫振動敢等周燭期性劈燕的故斤障源圖。相關(guān)哥分析三、膀信號涌的互犯相關(guān)饞函數(shù)兩個殃各態(tài)升歷經(jīng)再隨機(jī)景信號x(t)和y(t)可定地義：互相瞎關(guān)函晨數(shù)周期水信號相關(guān)衣分析如果x(t)和y(t)兩信魯號是巨同頻拌率的虜周期新信號體或者翻包含輔有同嫩頻率成的周鹿期成哪分，作那么豬，即際使t→，互泛相關(guān)猾函數(shù)孩也不果收斂鳳并會歲出現(xiàn)左該頻朱率的搜周期側(cè)成分姿。如果桑兩信理號含存有頻咬率不毯等的鑰周期殲成分葵，則遍兩者暮不相授關(guān)。這就取是說并，同頻腦率相己關(guān)，鐘不同耳頻不復(fù)相關(guān)。相關(guān)眠分析例5-勤2相關(guān)群分析相關(guān)啊分析互相厭關(guān)函拉數(shù)的宰這些爸特性惱，使判它在桶工程句應(yīng)用敬中有狡重要辜的價烤值。答它是開在噪醉聲背救景下耗提取撕有用痛信息姑的一零個非歉常有從效的勞手段物。如各果我榜們對突一個朵線性惑系統(tǒng)(例如甲某個冤部件捆、結(jié)牌構(gòu)或緊某臺然機(jī)床)激振罪，所千測得羞的振陵動信動號中項(xiàng)常常去含有雹大量表的噪今聲干墾擾。桿根據(jù)玩線性今系統(tǒng)酒的頻層率保拿持性鍛，只控有和恢激振尤頻率圓相同提的成詢分才鄉(xiāng)豐可能因是由酷激振池而引來起的想響應(yīng)魔，其刃他成驗(yàn)分均意是干硬擾。班因此負(fù)只要賺將激略振信世號和陪所測洲得的用響應(yīng)孩信號刻進(jìn)行群互相殃關(guān)就尤可以盲得到寶由激舌振而錢引起敏的響