微机接口技术与虚拟仪器设计（杨武夷）第12章 信号处理与分析.ppt

第12章 信号处理与分析 1 本章内容 信号处理与分析 12.1 LabVIEW中的信号来源 12.2 LabVIEW信号处理概述 12.3 信号的产生 12.4 信号的时域分析 12.5 窗函数 12.6 信号频域变换 12.7 数字滤波 12.8 谱分析 12.9 信号逐点分析 2 12.1 LabVIEW中的信号来源 LabVIEW中的信号来源 仿真信号 从文件读入的信号 直接采集的信号 3 12.2 LabVIEW信号处理概述 高效、灵活、强大的数字信号处理能力 10个子面板 数字信号处理函数面板 4 12.2 LabVIEW信号处理概述 子面板描述 波形生成通过该VI函数面板可以产生各种不同类型的波形信号 信号调理用于波形信号的数字滤波和窗函数等信号调理 波形测量波形信号测量面板，用来实现常见的时域和频域的测量 ，譬如直流交流成分分析、振幅测量、傅立叶变换、功 率谱计算、谐波畸变分析、频率响应和信号提取等 信号生成按照具体的波形模式产生一维实数数组表示的信号。 信号运算对信号进行各种操作，例如卷积、自相关分析等。 窗窗函数分析 滤波器实现IIR、FIR和非线性滤波 谱分析实现基于数组的谱分析 变换信号处理中各种常见的变化函数 逐点逐点分析函数库 5 12.3 信号的产生 波形/信号发生函数可以用来模拟产生你需 要的各种波形/信号。 LabVIEW有两个相关的函数面板 “波形生成”函数选板用于产生波形数据类型表 示的波形信号 “信号生成”函数选板用于产生一维数组表示的 信号 6 12.3.1 信号生成 函数选板：“信号处理-信号生成”产生一维数组 表示的信号 信号生成子选板节点用于生成正弦波、方波、锯 齿波、白噪声等多种常用信号 7 12.3.1 信号生成 信号生成函数中常见的参数 采样点数：产生信号序列的数量 频率：信号频率 幅度：各种波形的峰值 输入相位：波形起始点的相位 周期：波形整周期的数目 种子：用于产生噪声信号 是否重置相位：是，则相位为指定的相位，否 则相位为VI上次运算后的相位状态 8 12.3.1 信号生成 常用函数介绍:正弦信号函数节点 n个采样点数包含k个周期的正弦信号 采样点间的相位差 2*pi*k/n 信号起始点的相位 p0 ，单位度 n a p0 k 9 12.3.1 信号生成 正弦波函数节点 参数： 采样：采样点数n 幅度：a 频率：f 如果重置相位为TRUE，则p0为参数 “相位输入”，否则p0为上一次VI运行 后的相位输出 输出正弦波的计算公式 10 12.3.1 信号生成 三角波参数 三角波宽度w 采样点数N 幅度 a 延时 d 采样间隔t 对称性k 11 12.3.1 信号生成 三角波参数（周期） 采样：采样点数N 幅度：a 频率：f 采样点间的周期数 如果重置相位为TRUE，则p0 为参数“相位输入”，否则p0为 上一次VI运行后的相位输出 三角波的计算公式 -4， 12 12.3.1 信号生成 Sinc函数的参数 采样：采样点数N 幅度：a 延迟：d 采样间隔t 波形计算公式 sinc(x)=sin(pi*x)/(pi*x) yi = a*sinc(i*t - d) i = 0,1,.,N-1 13 12.3.1 信号生成 高斯噪声 均匀噪声 种子： 如果大于0，设置噪声生成的种子点 如果小于0，则不设置噪声生成的种子点 14 12.3.2 波形生成 “波形生成”用于产生波形数据类型表示的 波形信号 典型的VI节点 正弦波形 公式波形 高斯噪声波形 15 12.3.2 波形生成 正弦波形 类似参数的VI节点：锯齿波形、方波波形、三角波形 正弦波形参数 偏移量：指定信号的直流偏置 D 重置信号：是，则重新产生波形信号，时间戳为0 、信号起始点相位为指定的初始相位 频率：信号频率 f 幅度：波形峰值 a 输入相位：波形起始点的相位p0 采样信息：包括波形的采样频率fs和采样点数N 如果重置信号为TRUE，则p0为参数“相位输入”，否 则p0为上一次VI运行后的相位状态 16 12.3.2 波形生成 公式波形 公式：g(t) 信号角频率 w = 2 * pi * f，f 为信号频率 幅度：a 偏移量：offset 采样信息：包括波形的采样 频率fs和采样点数N 重置信号：TRUE，则重新 产生波形信号，时间戳为0 17 12.3.2 波形生成 高斯噪声波形 是否重置信号：参数为真，则设置时间戳为0 ，且根据种子参数设置噪声生成的种子点，如 果种子参数大于0，设置噪声生成的种子点， 如果小于0，则不设置噪声生成的种子点 18 12.3.2 波形生成 高斯噪声波形参数 重置信号：参数为TRUE， 则设置时间戳为0，且根据种 子参数设置噪声生成的种子 点，如果种子参数大于0，设 置噪声生成的种子点，如果 小于0，则不设置噪声生成的 种子点 种子：如果重置信号为 TRUE，设置噪声生成的种 子点为“种子”参数 19 12.4 信号的时域分析 12.4.1 两个子VI 12.4.2 卷积和反卷积 12.4.3 自相关和互相关 12.4.4 升/降采样 12.4.5 重采样 20 12.4 信号的时域分析 “信号处理-信号运算” 21 12.4.1 两个子VI 产生线性调频信号的子VI：ChripSignal.vi 参数：采样率fs、信号持续时间Tt、上下截止 频率(f0，f1) 计算得到信号变化率 k=(f1-f0)/Tt，信号的采样 点数N = Tt * fs 22 12.4.1 两个子VI 计算信号幅度谱的子VI：ABSFFT_L.vi 采样信号频率 对应离散信号频率的 输出信号的幅度谱、相位谱 离散傅里叶变换 23 12.4.2 卷积和反卷积 信号x(n)和y(n)的卷积 信号x(n)经过一个冲击响应为h(n)的系统响应 z(n) 24 12.4.2 卷积和反卷积 信号x(n)和y(n)的卷积结果为Z(n) = x(n) * y(n) 反卷积在已经Z(n)和x(n)的情况下求y(n)，或在 已经Z(n)和y(n)的情况下求x(n) 25 12.4.3 自相关和互相关 信号x(n) x(n)的长度为N， n=0,N-1，x(n) 的自相关函数为 线性调频信号自相关结果 0(N1) (N1) 26 12.4.3 自相关和互相关 信号x(n)和y(n)， x(n)的长度为N，n=0,N-1， y(n)的长度为M，n=0,M-1， x(n)和y(n)的互相 关函数为 两个信号的相关度越高，信号越相似 27 12.7 数字滤波 LabVIEW中提供了多种滤波器和用于 设计滤波器的函数节点 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 28 12.7 数字滤波 低通滤波器 截止频率fp 例子：10.7 不同参数的高低通滤波器.vi fpfp 29 12.7 数字滤波 用Butterworth滤波器节点构造低通滤波器 滤波器类型：设置为0，表示低通滤波器 设置“采样频率”和“低截止频率fl” 已知信号的采样频率为fs，滤波器的上限截止频率为 fp，将“采样频率”设为fs ，“低截止频率fl”设为fp；或 将“采样频率”设为1，“低截止频率fl”设为fp/ fs; 不知信号采样频率，通过观察信号频谱能估计出要过 滤掉的信号，将“采样频率”设为1，“低截止频率fl”设为 00.5范围内的一个值 阶数：控制过渡带宽度，阶数选择要适当 30 12.7 数字滤波 31 12.7 数字滤波 高通滤波器 下限截止频率为fp 例子：10.7 不同参数的高低通滤波器.vi fpfp 32 12.7 数字滤波 用Butterworth滤波器节点构造高通滤波器 滤波器类型：设置为1，表示高通滤波器 设置“采样频率”和“低截止频率fl” 已知信号的采样频率为fs，滤波器的下限截止频率为 fp，将“采样频率”设为fs ，“低截止频率fl”设为fp；或 将“采样频率”设为1，“低截止频率fl”设为fp/ fs; 不知信号采样频率，通过观察信号频谱能估计出要过 滤掉的信号，将“采样频率”设为1，“低截止频率fl”设为 00.5范围内的一个值 阶数：控制过渡带宽度，阶数选择要适当 33 12.7 数字滤波 带通滤波器 下限截止频率fl 上限截止频率fh 例子：10.7 不同参数的带通带阻滤波器.vi flfh 34 12.7 数字滤波 Butterworth滤波器节点 用Butterworth滤波器节点构造带通滤波器 相关参数： 滤波器类型：设置为2，表示带通滤波器 采样频率：输入信号的采样频率fs，默认为1，输入参 数必须大于等于1，否则出错 低截止频率fl（下限截止频率）：必须小于采样频率 的一半 高截止频率fh（上限截止频率） ：必须小于采样频率 的一半，且要求fhfl 阶数：控制过渡带宽度，阶数选择要适当 35 12.7 数字滤波 带阻滤波器 下限截止频率fl 上限截止频率fh 例子：10.7 不同参数的带通带阻滤波器.vi flfh 36 12.7 数字滤波 Butterworth滤波器节点 用Butterworth滤波器节点构造带阻滤波器 相关参数： 滤波器类型：设置为3，表示带阻滤波器 采样频率：输入信号的采样频率fs，默认为1 ，输入参数必须大于等于1，否则出错 低截止频率fl：必须小于采样频率的一半 高截止频率fh：必须小于采样频率的一半，且 要求fhfl 阶数：控制过渡带宽度，阶数选择要适当 37 12.7 数字滤波 利用Butterworth滤波器节点滤波器提取不同频率 的正弦波 例子：10.7 滤波器应用.vi 三个叠加的正弦信号频率分别为0.1、0.2和0.4 设计低通滤波器提取频率为0.1的正弦信号 设计带通滤波器提取频率为0.2的正弦信号 设计高通滤波器提取频率为0.4的正弦信号 38 作业 编写一个子VI实现类似“信号生成”子面板中“正 弦波函数节点”的功能。 产生长度为256的高斯噪声，通过自相关函数节 点分析噪声的相关性。 39 作业 一个信号包含三个不同频率的正弦信号，频率分 别为500,、1200和2000，设信号的采样频率为 5000。利用波形生成函数节点仿真采集到的信 号，信号长度为2000，显示其波形和频谱。设 计滤波器将三个不同频率的正弦信号分离开来并 显示其波形和频谱。 40 41 12.7 数字滤波 42 12.7 数字滤波 43 12.7 数字滤波 44 12.4.2 卷积和反卷积 回声测距 发射信号 接收信号 接收信号 AB 冲击响应 45 46 12.4.1 两个子VI 产生线性调频信号的子VI：ChripSignal.vi 参数：采样率fs、信号持续时间Tt、上下截止 频率(f0，f1) 计算得到信号变化率 k=(f1-f0)/Tt，信号的采样 点数N = Tt * fs 47 12.4.1 两个子VI 计算信号幅度谱的子VI：ABSFFT.vi 利用MathScript Node计算信号的幅度谱 离散傅里叶变换 采样信号频率 对应离散信号频率的 输出信号的幅度谱 48 49 12.4.4 升/降采样 升(增)采样：根据指定的升采样因子和前导 零在输入序列中补零形成新的序列 L倍的增采样 在增采样后的信号中插入前导零 增采样后的信号频谱 50 12.4.4 升/降采样 线性调频信号升采样后的信号波形和频谱 51 12.4.4 升/降采样 降采样：根据指定的降采样因子从输 入信号序列取出数据形成新的序列 M倍的降采样 降采样后的信号频谱 降采样(单次) 降采样(连续)：处理连续的小数据块 参数：起始索引：当VI第一次运行或者 重置为真，则从起始索引对输入的信号 进行降采样 重置参数默认为FALSE，起始索引参数 默认0，默认情况下降采样(连续)与降采 样(单次)的功能相同 52 12.4.4 升/降采样 线性调频信号降采样后的信号波形和频谱 53 12.4.5 重采样 重采样改变信号的采样率 原始信号的采样率为fs，重采样使信号变成采样 率为(L/M)fs的信号 有理式重采样 重采样(常量至常量) 重采样(常量至变量) 54 12.4.5 重采样 有理式重采样：通过插值实现升 采样 参数 重采样：插值倍数和降采样数 抗混叠？：降采样前是否利用低通滤波器对信 号进行滤波 FIR滤波器规范：设置抗混叠低通滤波器的参 数 起始索引：当VI第一次运行或者重置为真，则 从起始索引对输入的信号进行重采样 重置参数默认为FALSE，在处理连续的小数 据块，可以在第一次VI调用时设置重置参数为 TRUE，之后设置重置参数为FALSE 线性调频信号重采样后的信号波形和 频谱 55 12.4.5 重采样 重采样(常量至常量)：输入信号 默认的采样频率为1秒，采样间 隔为1秒 参数 dt：原始信号的采样率为1，重采样使信号变 成采样率为dt的信号 抗混叠？ FIR滤波器规范 延迟：当VI第一次运行或者重置为真，则从 延迟对输入的信号进行重采样 重置参数默认为FALSE 线性调频信号重采样后的信号波形和 频谱 56 12.4.5 重采样 重采样(常量至变量)：输入信号 默认的采样频率为1秒，采样间 隔为1秒 参数 时间：原始信号的采样率为1，重采样使输出 信号Y变成输入时间点上的信号 抗混叠？ FIR滤波器规范 延迟：当VI第一次运行或者重置为真，则从 延迟对输入的信号进行重采样 重置参数默认为FALSE 线性调频信号重采样后的信号波