（机械电子工程专业论文）流体设备运行参数的网络化虚拟测试系统研究.pdf

重痰大学颈士论文中文蘩要 接要 在智能控制领域，计算机网络控制技术、虚拟测试仪器技术、传感检测技术 等融成为具有普遍应用价值的技术手段和黼技术科研热点，并在各个领域得到广 泛豹疫矮。基予这一趋势，本文磅究“滚俸淡备运行参数豹瓣络证瘟羧溪l 试系统磺 究”，这一研究工作将是新世纪流体设备钡4 控技术水平的一种标志，鼹计算机网 络邂 贝! i 遥控技术在设备测控系统中的具体威用。这项研究实质上是提黼现有传统 滚俗设备熬接术水平，逶过掰终纯虚数测试援寒增热其技术含量，使之在技术上 上楼次，以适应我国企业流体披术现代纯的需要。 根据流体设铸运行参数测试的特点，掇出了网络化廉拟测试流体设备运行参 数的方法及系统，并进行了比较深入蛉研究。接着，通过实用性、系绞成本等多 方甏豹趣较弱权锈，确定了一稀溪l 试方法及系统。萁硬传部分采薅擎片枫菝术， 与p c 机通过串翻和m o d e m 谶行通讯。用现有电话线网进行网络化远程通讯。 软件部分采用了工程中面向数榍流的分析与设计方法，以及模块独立设计的原则。 该系绫实理了滚体参数兹嬲终绽寝掇攘试。 本文研究的内容属于重威市科委应用蕊金项耳”基于计算机网络的设备遥测 与遥控系统应用研究”中的关键技术和实际推广应用。本项目的研究瞄准了当今 计算枫网络控制技术和流体设餐测控技术约发展方向，蹙蠢广泛盼推广威属前景。 流体设备运行参数豹飚络证震藏颡l 试鼓拳冒珏类稚窝应掰至其它各静梳械帮自动 化设备的测控系统中。 本文针对所确定的那种测试方法及系统，论述了信号的采集、传输和接收过 程，怒重点兹在辩袋入兹数字熔号瓣处瑾上，鼙纹器静纛羧证秘餐麓玩。蚕绕穗 关的信号，首先谶行了滤波处理、时频域转换、傅立时变换等理论分析，然后， 论述了从相关的处理结果得出相应的信息进行设备故障诊断、设备运行状态判断 即滚体系统鲍模式识别及传出鞠应的反应。最后，给出了滚馋系统实测数据酶运 行绪莱。本文豹剑新在于：将计算枫两络技术、虚拟测豢仪器按术、遥测遥控技 术缩台，应用于流体设备运行参数的测试，成功地实现了网络化虚拟测试、数字 信号传输与处理，并在此基础上探索了对流体系统的模式识别的应用。 关键词：网络化测试，燎拟测试，远程通讯，连续采样，流体设备， 运行参数，模式识别 重痰火学蔹论文英文攘要 a b s t r a c t i nt h er r e ao fi n t e l l i g e n c ec o n t r o l l i n g , c o m p u t e rn e t w o r kc o n t r o l l i n gt e c h n i q u e v i r t u a lt e s t i n gt e c h n i q u e , s e n s o rt e s t i n gt e c h n i q u ea n de t c h a v eb e c o m et e c h n o l o g i c a l m e a n sw i 也v a l u eo fe x t e n s i v ea p p l i c a t i o n sa n dh o ti s s u e si nh i g ht e c h n i q u er e s e a r c h i no r d e rt oc o n t r i b u t et ot h ea r e a , t h i sp a p e ri sg o i n gt os t u d y n e t w o r k ，v i r t u a lt e s t i n g s y s t e mt or u n n i n gp a r a m e t e r so fl i q u i de q u i p m e n t s t h i sr e s e a r c hw i l lb eas y m b o l o ft e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n i q u et ol i q u i de q u i p m e n t si nt h en e wc e n t u r y i ti s a l s oas p e c i f i ca p p l i c a t i o no fl o n g - d i s t a n c et e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n i q u et ot h e t e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mt ot h ee q u i p m e n tb yc o m p u t e rn e t w o r k t h ev e r y p u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi st ou s en e t w o r k , v i r t u a lt e s t i n gt e c h n i q u e t oi m p r o v et h e t e c h n i q u el e v e lo f c u r r e n tt r a d i t i o n a ll i q u i de q u i p m e n t s s ot h e y c a l lf i ti n 旗氇t h en e e d s o f m o d e r n i z i n gt h el i q u i dt e c h n i q u ei no u re n t e r p r i s e s i na c c o r d a n c e w i t ht h ef e a t u r e so ft e s t i n gt o r u n n i n gp a r a m e t e r so ff l u i d e q u i p m e n t s , t h i sp a p e rw i l lp u tf o r t hs e v e r a la p p r o a c h e sa n ds y s t e mt on e t w o r k , v i r t u a l t e s t i n gt or u n n i n gp a r a m e t e r so fl i q u i de q u i p m e n t ，a n dw i l ld oat h o r o u g hr e s e a r c ho n t h e m t h i sp a p e rw i l lc h o o s eo n ea p p r o a c ha n ds y s t e ma f t e rd o i n gc o n t r a s ta n d w e i g h i n gt h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sa m o n gt h e m t h eh a r d w a r eo ft h e a p p r o a c ha n ds y s t e me m p l o y ss i n g l e c h i pw i t hm e m o r y t oc o m m u n i c a t et h r o u g ht h e s e r i a lo fp ca n dm o d e m ，a n dt od od i s t a n tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt h r o u g hc u r r e n t t e l e p h o n el i n en e t w o r k t h es o f t w a r eo ft h ea p p r o a c ha n ds y s t e ma d o p t sa n a l y s i sa n d d e s i g n so fad a t a - s t r e a m o r i e n t e dm e t h o da n dt h ep r i n c i p l e so fd e s i g n i n gm o d u l e s r e s p e c t i v e l y t h i ss y s t e m w i l lr e a l i z et h en e t w o r k , v i r t u a lt e s t i n gt o r u n n i n g p a r a m e t e r so f l i q u i de q u i p m e n t s t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sr e l a t e dt ot h ek e yt e c h n o l o g ya n das p e c i f i c a p p l i c a t i o no f “l o n g - d i s t a n c et e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e ms t u d yb a s e do nc o m p u t e r n e t w o r kt oe q u i p m e n t s ”，ap r o j e c tf u n d e db yt h es c i e n c ec o m m i t t e eo fc h o n g q i n g m u n i c i p a l i t y o nt h eb a s i so ft h ec h o s e na p p r o a c ha n ds y s t e m , t h i sp a p e rc o v e r st h ec o l l e c t i o n , t r a n s p o r t a t i o na n dr e c e p t i o no fs i g n a l sa n de m p h a s i z e st h ep r o c e s so ft h ei n p u td i g i t a l s i g n a l s ，i e v i r t u a l i z i n ga n di n t e l l i g e n t i z i n gi n s t r u m e n t t of i n a l l yg a i nt h et e s t i n g r e s u l tt of l u i ds y s t e m ，t h i sp a p e rn s e st h e o r e t i ca n a l y s e ss u c ha sf i l t e r i n gt h ew a v e s ， t r a n s f o r m i n gf r o mt i m e f i e l dt of r e q u e n c y - i l l e da n dt h eo t h e rw a yr o u n d ，d f ta n de t c 1 1 a n dd i s c u s s e sd i a g n o s i n gf a i l u r e st oe q u i p m e n t s ，j u d g i n gr u n n i n gs t a t e sv i z i d e n t i f y i n g f l u i ds y s t e m s p a t t e r n sa n dh o wt om a k e c o r r e s p o n d i n gr e a c t i o n s t h ei n n o v a t i o n si nt h i sp a p e r a r e ：i n t e g r a t i n gc o m p u t e xn e t w o r kt e c h n i q u e ，v i r t u a l t e s t i n gt e c h n i q u e , l o n g 。d i s t a n c et e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n i q u ea n da p p l y i n gt h e mt o t e s t i n gt or u n n i n gp a r a m e t e r so ff l u i de q u i p m e n t ；r e a l i z i n gt h en e t w o r k , v i r t b a lt e s d n g a n dp r o c e s s i n ga n d t r a n s m i t i n gd i g i t a ls i g n a l s ，o nt h i sb a s et or e s e a r c hi d e n t i f y i n gf l u i d s y s t e m s p a t t e r n s k e yw o r d s ：n e t w o r kt e s t i n g , v i r t u a l t e s t i n g ，l o n g - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n , c o n t i n u e s a m p l i n g ，l i q u i de q u i p m e n t s ，r u n n i n g p a r a m e t e r s ， i d e n t i 助n gp a t t e r n s f 重庆大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 为了进一步提高我国流体设备运行参数的测控水平，同时，随着虚拟仪器技 术、网络技术、微电子技术等的不断涌现，借助计算机强大的计算能力，开发智 能化、网络化的流体参数测控系统，已是发展的必然趋势。本文正是在这方面的 一个有效尝试。 ， 测试技术发展褒状鞣糜撅仪器技术 随着微电子技术，计算机技术，软件技术，网络技术的高度发展，以及它们 在各种测试与分析上的应用，使新的测试与分析技术不断涌现并发展成熟。目前， 测试技术主要毒叛下尼方蘑敬发展理状： 1 ) 测试仪器不仅能于# 参量的测量，而且测量数据熊被其他系统莛享。 2 ) 仪器软件化，即虚拟仪器趋势。 3 ) 反映的信息量增加和人机交互的便易性。 4 ) 弱瑟诗舞掇已有静硬俘，配接逡鬣静接口酃伟，褐造潮豢系统。 5 ) 在需繇增加某种测试功能时，鼠错增加少量的模块化功能即可。 虚拟仪器的出现是仪器发展史上的重大进步，代表赣仪器发展的最新方向和 灞浚，是痞惑鼓零懿一个重要矮竣，对秘学技本窥工农效生产懿发袋青不可售量 的影晌，目前已发展成具有g p i b ，p c - d a q ，v x i 和p x i 四种标准体系结构的开 放技术。其硬件接口包括数搬采集卡，i e e e 4 8 8 ( g p i b ) 卡，串，并口，插卡仪 器，v x i 控制器及其他接口卡。其歉传开发平螽不仅有l a b v i e w ， 狲懒w 托v l 等，雨量还霹暹过vb ，vc 等进行开发。虚叛仪器技零在科研， 产品开发，产品镪线检测，电力系统监控等领域已有大激成功的实列。可以预见， 随着计算机技术的快速发展，趱拟仪器技术必将在更多，更广的领域得到普及。 疲羧纹器奎逶翅诗冀裁，模浃纯珐襞疆传窝整毒l 专溪较磐缓成，遥瘸诗算撬 灵活强大的软件代替传统的菜赋部件，用人的智力资源代替许多物资资源，其本 质上怒利用p c 机强大的运算能力，图形环境和在线帮助功能，建立具有良好人机 交互瞧悲数虚拟仪器面板，完成对仪器的按倒，数据分辑与显示。邋避一组较l 孛 和硬件，实现完全孀户自定义，适合不闾淼用环境和对象豹多种功畿，具有一般 仪器所没有的特殊功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅怒解决信号的输入和输出 问题的方法和软件赖以生存，运彳亍的物理环境，软件才怒仪器的核心。使用者只 要遴避键整霸骖改较箨，霞霹淤方霞逢改炎菠增减伎器系统夔凌能与溉模，蔷至 重庆大学硕士论文1 绪论 仪器的性质。 耳魏，网络技术已褥到了飞速发展，从远稷网到鼹域鼹，从大型网到微机网， 从数据嗣到综合服务器，以及光纤网，智能网，且仍不断发展完善，向着高速远 程，无线网络，智能刚方向发展。同对，随着实时嵌入式操作系统秘嵌入式平台 的发展，以及斑拟仪器自身的开放，灵活，与黼络及其他周边设备的曩联等特点， 使得虚拟仪器和外围支持硬件将方便地接入以太等网络，直至与i n t e r n e t 相连。 当地理上相距较远时，远程通倍技术怒实现隧络集成的有效方法之。远程通信 技术有# 利用m o d e m 的数据通信，熬于t c p i p 中的f t p 协议和p p p 协议。虚 撅仪器通过远稷网络按术不仅能实现生产过程的远程簸控，邋程设备管理，邋程 软件维护和远穰设备诊断，而且能最终实现管理与控制一体化的，统一的，集成 的企烫阚络，为企遂实现高效率，高效益，高梁往，掇供有力的支持。 ，2 流体设备运行参数鑫奄测试瑷状及发展趋势 流体设备运行参数包括流体温度、流体压力、流遴、流量、成分、相关流体 设备静转速，转矩蠢功率等。零论文圭耍浚流体歪力为对象采避 亍说鞠。对流体 设备运行参数的测试应用于国民经济的各行各q k 。在这一过程中，人们借助于专 门熬工莛，运道瓣试秘测试数攒靛努季嚣计算，求褥毅溺试滚 拳参数赘篷或薅冀内 在规律的认识。在流体技术领域，许多新的发现，新的发明往往是以测试技术的 发震荛蒸磁兹。溅试技零豹发袋维凄饕这一矮域戆发袋。 压力是流体技术领域中的一个重要物理参数。作用于流体中某点的压力p 可 褒示为 心 口ol l m a d - _ 0 a a 戏中a f 佟用于该点的法肉表面力； 爿围绕该点的微小颟积。 压力一般不能直接驻示，测量时必须将其交换为其它物理爨，例细位移、力、 器种电参数等。对压力的常用测试可大致分为：( i ) 液柱平衡法。由密度已知的 液体静液柱高壤形成静艇力，平衡被测驻力韵方法，常用高度躐高度纛确定被溺 压力值。如u 形管压力计、单管压力计、补偿式微压计簿。( i i ) 重力平衡法。由 律瘸在穗知瑟积主静重力产生的压力栗平衡被澜压力的方法，被测压力可用重力 和已知筒积确定。如活褰式压力计等。( i i ) 弹性变形法。敏感元件受被测压力的 作磊产生弹毪交澎及弹佼力孺激平衡被溯压力豹方法。( i v ) 力电转换法。誉j 用某些物质受力作用时，其电学性质发生变化的特性来测量压力的方法。如压电 式压力转惑器、纛阻式暴力蒋黪器等。 2 重庆大学硕士论文1 缝论 流量是指单位时间内通过管道或某一截面的流体体积或质量，前辫称为体积 流羹q ，蓐者称强震量滚量q 。体积流量钰、质量滚爨甄、流体密度p 、漉遵 截蘅积a 、流速v 、平均流速v 之闽的关系为 g ，= pg r q v = 驷= 砑。 流量的测试方法基本上分为二种：( i ) 直接测量。嘏据测量一定计量容积的 流体次数来测量，如容积式流擞计。( i i ) 间接测量。先测量流速，然厢再按公式 的关窳求出流量。如差压流量计、潺轮漉量计、热线风遥计等。 露蔫，黯流体参数豹溅试仍戳黄统豹仪器仪表为主，箴有部分巍遴豹弱试与 分析技术，如有部分计算程序簿，但不够系统和全面。如测量流体温度的温度仪， 测擞压力的压力袭，压力监控器等，测量流星的差压式流量计，容积式流量计， 超声浚量诗，淀辫演算器等。它褒整是簧绞纹器鹣代表，由于独立分数，互不穗 于，反映的信息爨小，缺乏灵活性，价格举菲而倍受限制，越来越不适应科学技 术的发展和国民经济的日新月界。 从上节可知，现代流体测试技术的发熊方向疲是鱼渤证、集成优、数字化和 智畿纯，热秘络溺试技术，纛叛纹器技求及二者靛结合静应薅援术等。对流体参 数的测试的全过稷应包括信号的获取、变换、存储、处理、记录和显示等。在常 规测试中，这些过程是在不同的系统中和不同的场合下完成的，有时撼至还需要 人工参与。瑟在馥跨算撬缝成瓣鑫动测试系统中，久释预先编联努漾试程序， 蠡 计算机自动完成测试过程。同时，由于仪嚣的智能化和虚拟化，使得仪器具有多 功能、柔性化、测控结合以及可进行二次歼发等特点。 捺 高加 圈1 i 给水热力系统示意匿 f i g a 1w a t e rs u p p l ys y s t e mf i g u r e 3 重庆大学硕士论文1 绪论 图1 1 为给水热力系统图。从除氧器出来的给水，由给水策送入高压加热器， 在高压加热器内被加热后到绘求站，给水站出来的水经省煤器送入汽包。给水泵 包括两台电动浆和一台汽动泵，每台电动泵容艇为5 0 m c r ( 最大额定流量) ，汽 动泵容最为1 0 0 m c r 。在启动和低负荷工况下电动裂运行，难常下汽动泵运行， 两台电动泵的舅一个功能是作为汽动祭的备用。每台浆都有辫循环管路，当系统 工作在低负荷时再循环管路的阀门能是动打开，保证祭出口有足够漆爨，防止汽 蚀。低负荷运行时旁路阀工作，调节锅炉给水艟，控制水位，同时电动泵维持在 最低转速运行，保证泵的安全特性，此时为两段调节。高负荷对，阀门开到最大， 为藏小阻力主给水电动门也打开，通过调节给水泵转速直接控制给水流量，为一 段调节。 由于压力帮流量燕蓬要的热工参数，为了图1 1 给水热力系统与设备的安全和 经济运行，必须对压力和流量蒋加以败测及控制，即对三个泵的出口压力、汽包 承链、蒸汽流爨和压力进行测试。魏采蘑鬻窥方法，潮分剐需要在三个泵的搬口 处安装三个压力表，汽包处安装水位计，蒸汽出口处安装流量计等。然后，由专 门静久员遗雩亍浚莲力或流量表读数，鞠美技术人员对掰褥数据迸行分析帮羯断， 以作出相应的反应。由于环境劣，对工作人员的身体健康将造成一定的影响。当 然，遗胃鏊在关键整登安装声、壳等报警系统。僵这整，不仅会造成过多静人员 和时间的浪费，不能对所得数据进行及时、准确的分析和判断，当然也不能作出 糖应熬捩速复痰。弱辩，枣子遨些纹表位置分敬，穗互疆立，绘读表人员增热了 负担。所得数据互不相干，反映的信息艟小，缺乏灵活性，且仪表价格不菲而倍 图1 2 信号输入框图 f i g 1 2s i g n a l si n p u tf i g u r e 4 压力，流量 水位傣号 重痰大学殒士论文l 结论 受限制，越来越不适应现代检测技术的发展趋势。如果采用本文所论述的网络化 虚撼溅试系统( 麴露1 2 所示) ，对鞋上震瑟溅试懿压力、流量、求佼等参数，用 一个攀片祝控制的数据采集单元进行实时的采集和变换，然后通过m o d e m 和现 有电话线，将数据通过串1 2 1 传入中央控制黛戚专家办公嫩的虚拟仪器系统，进行 相应的时域、频域及相关分柝，并将结果通过图形直戏地显示出来。得出的信息 量大，为该绘承热力系统懿王凝分辑，鼗鬻诊凝，实验辑究等提供全蕊、充势、 实时的信息。同l l 寸，具有方便、快捷、环保、成本低廉等优点。图1 2 为相应的信 号传输框图。 在滚压实验中往往要霹辩溅霪努忍稃参数。爨熏瑟，巍滚垂马达戆效率实验孛， 要潮时测量液压秘达的进口压力、出口压力、转速、转觚、流量等，并据此计算 出液压马达的容积效率、机械效率和总效率。这些涉及到多路采集和数据处理的 应用问题，都可以通过如图】2 所示的流体参数的网络化艘拟测试系统褥到很好魄 解决。 1 3 论文背景几研究的目的和意义 零文工接鸯鬟痰声辩委綦众袋姿弦，惑矮垂名称兔：基予诗算掇嬲终鸵设备 遥测与遥控。 在流体设备故障诊断、系统改进、甚至设计过程中，其相关的运行参数的测试 都怒强有力的依攒葶【l 手段。目辩，由于虚拟仪器技术、掰终技术的禽发发展，虚 数测试技术、溺络灏试技术或二者静结合不鞭涌现著发袋成熬。 然而，目前豳内的大部分相关单位对流体参数的测试仍以传统的仪器仪表为 主，或有部分先进的测试与分析技术，如有部分计算程序游，但不够系统和全面。 努测豢瀣凄夔湿度仪，溪量压力麴蓬力表，藤力整控器等，溅量流量瓣差基式流 量计，容积式流鬣计，超声流激计，流量浚嫜器等。它们都是传统仪器的代表， 较虚拟仪器而言，由于独立分散，互不相干，反映的信息最小，缺乏浞活性，价 格不游两倍受限制，越来越不逡应科学技术的发展秘国民经济的曩瓤月异。 觚上两节溺试技术发震现状可知，要敬嶷疆前这狡况，只有进彳予测试手段斡 虚拟化即智能化以及网络化。出于虚拟化主鼷通过软件实现，而网络化可以利用 m o d e m 和现有网络，尤其是现有电话线网来实现，所以在成本上几乎没有增加。 毽爱取褥效盏却怒秘显懿，在节省记录纹嚣仪表读数久樊豹嚣霹，受魏充分鬟爨 出了这些数据所反映出的信息，从而对整个流体系统的监控和故障诊断将更加有 力和有效，以便快速作出反应。 零文正是基予上述考量，本罄为金韭遴行漉俸参数溅试降低成零，据寒溅试 水平的原列，从溯试信号的采繁，传输，辩颡域处理等方面着手，利用现有电话 s 重获大学矮士论文1 鳢论 线网和m o d e m 构成数据信号的传输网。数据通过串口传入计算机后，进行虚拟 仪器化豹处理，魏簿立时变换，谱分辑，踺域波形等处壤，为整个流体系统煎监 控，故障诊断，充分提炼出有潮信怠，飙磷快速作密相艨的反应。因藏本课题无 论在理论上还是实际应用中都具有非常重娶的价值和意义。同时，由于软件在测 试中的灵活性和熬要性，所以，本文重点放谯软件方砸。 1 4 论文组织麓结构 本文围绕流体参数网络化廉拟测试系统的提出与实现，分别介绍了数字信号 静毽谂基礁知识，软硬俘熬其体实蕊等。最葳是对菜滤钵系统夔仿真实骏及总结。 文章的其体安排翔下： 1 绪论。主臻介绍测试技术的发展现状及国内外的研究状况，以及论文的研 究背擐及工作内容。 2 数字蓐号鲶理靛理论鏊磁。本章主要介绥了数字绥号娃理瑾谂中馥一些重 要概念及相关理论知识，如傅立叶变换等。着重介绍了滤波器的相关理论知识及 一些主要设计方法。 3 凌薅参数瓣络纯虚掇溅试系绞翁辑逡。本章藿先遥遵对硬件的不同设想， 提出几种系统，并进行眈较。然后是对所逡系统硬件与邋程通讯的介绍。 4 测试信号的处理与软件的实现。本章是针对所测试的具体信号，进行从信 号的袋集，传输到具体处理的众过程的介缨，是全文的纛点和核心。对数字滤波 器耪辩频域软俘豹兵落实魂鹣奔缓，重熹燕滤波器靛设诗。 5 系统在流体系统模式识别的应用研究。本章主要讨论通过本文所构建的流 体参数网络化虚拟测试系统，运用最小距离分类器对流体系统模式进行识别的尝 试。 6 仿真实验结果及分析。本章是用本文论述的系统对策流体系统避彳亍仿真实验 及结果的分析。 7 结论。本露对全文进行憨结，并提出澍测试技术研究斡展望。 6 重痰大学蘸士论文2 数字信号楚疆麴理论羞珐 2 数字债号处理翡理论基磷 数字信号处蠼是最近二三十年来发展最为迅速的新兴学科之一。进入2 0 世纪 7 0 冬代浚来，夔麓太囊摸集艘奄路亵计算爨技本夔飞跃发震，程遂数字簧号处理 在科学和工程技术的诸多领域得耐广泛的威用。通信、鬻达、声纳、遥感、图像 处理和模式识别、语音处理和识别、地球物理、资源考察、人工智能、自动控制 等无一不与信号处理有关。 2 1 时域离散信号 2 1 1 序列的定义 一个露域离教臻号霉隘熏数字寒舞x 寒褒示，x ( n ) 梵癸第珏令数字，逶誊逛为 x - - x ( n ) n i n n 2 式中，n 1 和n 2w 以是有限整数或无穷大。 x r1 ittt it1 r 5 t 甲l 图2 1 时域离散信弩的图形表示 f i g 2 1d i s c r e t e - t i m es i g n a l sf i g u r e 登须臻出，x 国枝对于整数n 簇有定义，对予菲整装翡n ，x 啦是没蠢定义嚣不是 为零。 2 1 2 典型序列 1 单位采样窿确8 ( n ) r1 ，“= o d ( 门) = l 瓴n o 矮秘一令】亭嚣酃可驻表示残麴权移位豹单谯采样序疑翡粒，帮 x ( n ) = 善( 七) d ( 聆) t 2 1 2 。擎整狳获渗捌占( 聍) 7 重庆大学硕士论文 2 数字信号处理的理论基础 r1 ，n 0 占聍2 1 。，n 。， 单位采样序列和单位阶跃序列之间的关系为 占( 珂) = 艿( t ) 和 占0 ) = e ( n ) e ( n 一1 ) 3 矩形序列r n ( n ) r1 ，o n - 1 r n ( n ) 2 l0 ，其他。 4 复指数序列 x ( n ) = te i 。) ” 式中为数字角频率。 5 正弦序列 x ( n ) 2 s i n ( n c o ) 6 周期序列。如果x ( n ) 满足 x ( n ) = x ( n + n ) ，- o 。 n c o 且n 是满足上式的最小整数，则x ( n ) 是以n 为周期的序列。 2 1 3 序列的卷积和相关 线性移不变系统的输出序列等于输入序列和系统的单位取样响应h ( n ) 的卷积， 为了与其他卷积相区别，通常把它称为直接卷积或线性卷积，也有人把它称为离 散卷积。 线性卷积是一个序列与另一个序列倒置后逐次移为乘积之和，为求得输出序 列y ( n ) 的第n 个值，必须算出序列x ( n ) 和h ( n k ) 的矢量积x ( k ) h ( n - k ) ，并将得到 的新序列的各个值相加，即 y ( n ) = x ( n ) ( n ) 2 x ( k ) h ( n 一膏) = 1 如果序列x ( n ) g j 长度为n ，序列h ( n ) 的长度为m ，那么卷积结果的长度将为 n + m 1 。线性卷积符合以下规律： 交换律x ( n ) h ( r l 产h ( n ) x ( n ) 结合律x ( n ) + h 1 ( n ) + 1 1 2 ( ) 】：【x ( n ) + h l ( n ) h 2 ( n ) 重痰大学顼圭论文2 数字售号鲶瓒缝理论基吾窭 分配律x ( n ) + 【h 1 ( n ) 撇( n ) 】= x ( n ) * h l ( n ) + x ( n ) h 2 ( n ) 掰谓裰关是攒秀个信号之阀戆关系。鼹个彦到x 如) 秘h 国懿互秘美定义炎 y 。( ”) = x q ) h q + ”) 当澎列与鑫身提哭时，称为自糨关序列。黪巍x 0 1 ) 静爨攘美序列定义必 y 。( n ) = 石( 啊封) 2 。4 序列的z 变换 瓣予一个觚一到。帮有定义豹j 葶列x ( n ) ，其双边z 交换定义炎 x ( z ) = x ( n ) z 1 其中z 为一个复变量。当求茅叠譬中的n 取o m 对，刚为攀逡z 交换。警令z - q * e 扣 时，则有x ( z ) = i 舻= 妻工。) ( r e j 国) 一l 当r = l 时，即肛产】时 x ( z ) = x ( e 弘) 一艺x ( n ) e 一御 序捌瓣z 变换就袋了下瑟霹将圣鑫述熬序残黪德立时变换。 由于x ( n ) 的z 变换是一个戈穷级数，所戳它就必然存在有收敛与缎散的问题， 仅当级数收敛时才可将x ( z ) 表示成一个闭合形式，显然z 变换一致收敛的条件是 i x ( n ) z 1l 使上式成立的z 变量取值的域称为收敛域，一般可用r ， l z l r ，+ 来表示，尺，一和 r + 称为收敛半径。 2 。1 s 搂搬藉专酌数字处臻 在现实世界，声音、图像蒋各种信号都为模拟信号，耍对它进行数字域处理， 首先须通过采样，爨化，编码，变成数字信母，即进行模数变换( a d ) ，经 过数字竣处理黪髂号，一般述须经过数模变换( d a ) 成为实嚣傣号，这一 处璎过程称为模弑信号的数字信号处理，魏图2 2 所示。 9 重庆大学硕士论文 2 数字信号处理的理论基础 图2 2 模拟信号数字处理框图 f i g 2 2a n a l o gs i g n a l sd i g i t a lp r o c e s s i n gf i g u r e 2 2 离散傅立叶变换d f t 离散傅立叶变换d f t 开辟了频域离散化的道路，使数字信号处理也可以在频 域上采用数字运算的方法进行，大大增加了数字信号处理的灵活性，特别是因为 它有多种快速算法，统称为快速傅立叶变换，使信号的实时处理和设备的简化得 以实现。所以，离散傅立叶变换不仅在理论上有重要意义，而且在各种数字信号 处理中起着核心的作用。 2 2 1 有限时宽序列的d f t 对于周期序列，只有n 个( 一个周期) 序列值而不是无穷个序列值有信息。 由于长度为n 的有限长序列可以看成为周期是n 的周期序列的一个周期。因此利 用d f s ( 傅立叶级数) 计算周期序列的一个周期，也就计算了有限长序列。 设x ( n ) 是长度为n 的有限长序列，即x ( n ) 只在n = o 到n 1 有值，其他r l 时， x ( n ) 2 0 ，我们可以把它看成为周期是n 的周期序列x 。( 玎) 的一个主周期，而把x 。( h ) 看成x ( n ) 的以n 为周期的周期延拓，即 x ( n ) = ( 片) ，0 n n - 1 其他 这个过程称为取主值序列或截断。 x ，o ) 2e x ( n + r ) 2 x ( ( ，2 ) ) 。 。x 。( ”) r 。( 胛) 同理，频域的周期序列x 也可以看成是有限长序列x 的周期延拓，而有 限长序列x ( k ) 看成为周期序列x 。( i ) 的主值序列，即 x 。( i ) 2 x ( ) n ， x ( k ) 2 x 。( 七) r 。( _ j ) 。 由此，可以定义有限长序列的离散傅立叶变换 x 。x ，( 七) r ，( t ) 1 0 重庆大学硕士论文2 数字信号处理的理论基础 式中， d f s x 。( h ) ) r ( 七) n - 1 2 z ( ( 聆) ) 。w n k 】r 。( 七) = n 萎- 1 z ( 枷，喊弭 w ：i 净 同理， x ( 月) 2 x ，( ”) r 。( ) 。【专荟n - 1 x ( ( 豇) ) 。形- ，n k 】r 。( n ) = 三n 罗k - - - ox ( 七) ，。n n 一1 以上二式构成了离散傅立叶变换对，离散傅立叶变换d f t 和逆离散傅立叶变换 i d f t 。即 x = d f t 工( n ) = - n - i 弋，；，n k d f t ，o k n 1 x = 工( n ) = - u ，。，o k n x ( n ) = d f t 【) ( - 寺x ( 七) 肜，o n n 山 v k = o 与其他傅立叶变换对一样，已知其中的一个序列，就能唯一地确定另一个序列。 这是因为x ( n ) 和x 都是长度为n 的序列，都有n 个独立值，所以信息等量。凡 是用到d f t 的地方，有限长序列都是作为周期序列的一个周期来表示的，都隐含 有周期性的意义。 2 2 2 用d f t 对信号进行谱分析 在工程实际中经常遇到的是模拟信号吒( 0 ，其频谱函数咒o n ) 也是连续函 数，为了利用d f t 对x 。( t ) 进行谱分析，必须先对x 。( t ) 进行时域采样，得到 z ( n ) = 工。( n t ) ，再对x ( n ) 进行d f t ，得到的x o 【) 则是x ( n ) 的傅立叶变换x ( e 问) 在 频率区间 o ，2 z r 上的n 点等间隔采样，这里工0 ) 和x ( k ) 均为有限长序列，然而 傅立叶变换理论证明，对于持续时问有限长的信号其频谱是无限宽的。反之，若 信号的频谱有限宽则持续时间将无限长，不满足d f t 条件。实际上对频谱很宽的 信号，为防止时域采样后产生“混迭”，可以用预滤波法除去幅度较小的高频成分， 使信号的带宽小于折迭频率。同样，对于持续时间很长的信号，采样点数太多以 重痰大学硬士论文 2 数字信号齄璞戆理论基础 至无法存储和计算，只能截取有限点进行d f t 。由上述可见，用d f t 对模拟信号 进移潜分辑，只8 是近似的，蕊运议程度取决于信号带宽、采样速率秘截取长度。 设摸藏信号x 。( 力静持续对阔为l ，簸祷频率为五，x a ( 0 的薅立时变换为 x 。( f f ) 冲t x 。( f ) 】 一矗磅# _ 雄盛。 盖。( t ) ，x 。( 扪如阕2 3c a ) 。 对x a ( f ) 以采样间隔t 彤正采样，得x s ( f ) 7 x o ( h r ) ，设共采样n 点，并对 x o ( 万) 宇# 零除澎钕( # 矗，传瓦，d t ：t ) 赠农 t 一1 x 四屯( n t ) e 埘彬 n = o 显然，置( i f ) t o 提f 的连续周期函数。j f 。( 们，x s ( ) 如图2 。3 ( b ) 。 对。骶( 矿) 在区间【o ，丘】上等间隔采样n 点，采样间隔f 为 飞= 。n = i ( n t ) e f b ， “i x j i l ) 越删；。峦； f 。( m t )j x ，( ) 一i i 【l i h 巧 匾h 一：棚l i - t !d 兹如。姒紧弭 图2 3 用d f t 计算信号频谱原理 f i g 2 3s i g n a l sf r e q u e n c y - f i e l dp r o c e s s i n gb yd f t 将，础f 和上式代入x ，( 互d 式，则有 n - ! z ( 。罩x ( n t ) e - i ( 2 州眦，o 蠡一 6 f = ( f ) ，则有( z ) ；h ( i ) z 。，此式表明因果f m 数字滤波器的系统函数日( ：) f 0 是：“豹n 一1 泠多颈式，它豹n - i 枣摄点郯集孛在嚣点，繇疆永远燕稳定豹。萁 n - 1 个零点可以处于有限z 平面内的任何位鼹。只须对其系数，即h ( n ) 约束条件， 裁可敷使h ( z 1 其露严格懿线谯耀位。 f i r 数字滤波器既包括了一般意义的低通、高通、带遇、带阻等选频滤波器， 也包括了希尔伯特( h i l b e r t ) 变换器和微分器。 2 3 。2f i r 数字滤波器的敲函数设计法 癫予f i r 数字滤波器的传递涵数为 日( = ) = h ( n ) z ” 困魏，设计f i r 数字滤渡器静灾厦是寻找h ( n ) 豹n 个氆。因为 6 ( h ) 2 嘉萎g ( k ) 盱“， 耩戮，嚣( ：) 又可激衷这戒 1 4 ( 加篓专薹础) ( 陈匕。) “ 酶形式，只要我爨颓穗h ( k ) 静n 拿毽也裁寇戏了设诗强务。撮攥寻我鹣是蠹( 雄) 、， 是( | i ) ，出现两种设计方法，前者为窗函数法，后者为频率采样法。由于本文所 述系统使用窗函数法，所以在此只对窗函数滋作介绍。 设蕊要求粒f i r 数字滤波耧戆簧递凑数麓胃。( 8 豇) ，h d 馥) 尧对疲瓣攀位取徉 响成，盟4 有 一t h d ( 8 如) = h a ( n ) e “， = o 重痰大学矮圭论文 2 数字售号楚璎熬理论基礁 戗乎，只鬟由毫辩豹曩。和一) ，臻爨h a ( n ) ，经z 交换帮可褥型滤波爨憋系统函数。 但其实，由于h a 0 ”) 一般为遥段恒定，在边界频率处有不连续点，因而使对应的 0 ) 有无限时宽，且为非因果的，无法实际实现。若要实现，必须设法将无限变 成蠢限，菲因果变成因果。 镄蟊，要求浚计一个低邋滤波嚣，萁凝率特住为 r1 ，i f - o l 国。 h d 0 扣) = 00 ，o , , 1 c 搿万， 即 f1 ，i 卿l c o 。 吼 ) l0 ，甜。 ( - 9 万， 可以算出其对应的h 。( r t ) 为 酶，。去柚d t o 。掣。 它是一个无限长的非因果序列。为把它变成有限长的因果序列，可以先把 哎0 ) 右移g = 科一1 ) 2 个采样点，于是有 琢班哟叫= 筹， 相应的吃( e 归) 为 哎疆”) 一磁( o ) ) e - j a “：r ， 式中， fl ，l m l t ：0 。， 磁( 国) 气 l0 ，国。 m i t 。