长沙理工大学机械工程测试技术基础信号的分析与处理PPT课件.ppt

第七章 信号的分析与处理 工程测试技术基础 本章学习要求 1 了解信号时域分析方法2 了解信号频域分析方法3 了解模拟信号分析方法4 了解数字信号分析方法 7 1信号分析处理的目的 第七章 信号的分析与处理 1 剔除混杂在信号中的噪声和干扰 实现信噪分离 2 消弱信号中的多余内容 将有用的部分强化 以利于从信号中提取有用的特征信息 3 修正波形的畸变 以得到可靠的结果 7 2信号的时域相关分析 时域分解 信号可以分解为简单信号的分量之和 如可分解为 1 直流分量与交流分量之和 2 稳态分量与交流分量之和 3 偶分量与奇分量之和 第七章 信号的分析与处理 1变量相关的概念 统计学中用相关系数来描述变量x y之间的相关性 是两随机变量之积的数学期望 称为相关性 表征了x y之间的关联程度 第七章 信号的分析与处理 式中 cxy变量x y的协方差 x y是变量x y的均值 x y变量x y的标准差 2信号的时域分析 相关分析 第七章 信号的分析与处理 线性相关 线性无关 1 自相关函数 7 2信号的时差域相关分析 算法 令x t y t 二个信号之间产生时差 再相乘和积分 就可以得到 时刻二个信号的相关性 图例 自相关函数 x t y t 7 2信号的时差域相关分析 自相关函数的性质 自相关函数描述了信号自身不同时刻的相似程度 通过相关分析可以发现信号中许多有规律的东西 1 自相关函数是 的偶函数 RX Rx 2 值不同 Rx 不同 当 0时 Rx 的值最大 并等于信号的均方值 x2 自相关函数的性质 4 周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号 但不保留原信号的相位信息 5 随机噪声信号的自相关函数将随 的增大快速衰减 3 Rx 值的限制范围为 7 2信号的时差域相关分析 7 2信号的时差域相关分析 7 2信号的时差域相关分析 2 互相关函数 互相关函数的性质 7 2信号的时差域相关分析 互相关函数的性质 互相关函数的性质 7 2信号的时差域相关分析 7 2信号的时域相关分析 相关分析的工程应用 案例 机械加工表面粗糙度自相关分析 被测工件 相关分析 性质3 性质4 提取出回转误差等周期性的故障源 7 2信号的时差域相关分析 案例 自相关测转速 理想信号 干扰信号 实测信号 自相关系数 性质3 性质4 提取周期性转速成分 抑制了噪声的影响 提高了信噪比 7 2信号的时差域相关分析 案例 测量运动物体的速度 当可调延时 等于钢带上某点在两个测点之间经过所需的时间 d时 互相关函数为最大值 所测钢带的运动速度为v d 7 2信号的时差域相关分析 案例 地下输油管道漏损位置的探测 t 7 2信号的时差域相关分析 案例 地震位置测量 7 2信号的时差域相关分析 相关分析 时域功率谱分析 频域 功率谱密度函数的定义 7 3信号的频域分析 自功率谱密度函数 自谱 是自相关函数的傅里叶变换 表达了信号的功率密度沿频率轴的分布 第七章 信号的分析与处理 7 3信号的频域分析 7 3信号的频域分析 7 3信号的频域分析 输出 功率谱的工程应用 排除噪声的影响 7 3信号的频域分析 7 3信号的频域分析 7 3信号的频域分析 7 3信号的频域分析 7 3信号的频域分析 7 3信号的频域分析 信号处理可以用模拟信号处理系统和数字信号处理系统来实现 模拟信号处理系统由一系列能实现模拟运算的电路环节组成 数字信号处理是用数字方法处理信号 它既可以在通用计算机上借助程序来实现 也可以用专用信号处理机来完成 返回章目录 第七章 信号的分析与处理 7 4模拟信号分析 直接对连续时间信号进行分析处理 其分析过程是按照一定的数学模型所组成的运算网络来实现 目标是获取信号的特征参数 如均值 均方值 相关函数 概率密度函数 功率谱密度函数等 包括调制 解调 滤波 放大 乘除法 微积分 乘方和开方等 第七章 信号的分析与处理 均值 均方值 均方根值的测量与估计 均值估计 均方值和均方根值估计 第七章 信号的分析与处理 概率密度的估计 第七章 信号的分析与处理 自相关函数的估计 第七章 信号的分析与处理 功率谱的估计 第七章 信号的分析与处理 模拟信号估计方法存在的问题 第七章 信号的分析与处理 1 功能有限 估计精度受限 2 分辨能力低 3 分析时间长 4 输出方式少 不易转换再处理 1 数字信号处理的基本步骤 第七章 信号的分析与处理 7 5数字信号分析初步 模拟信号经采样 量化并转化为二进制 A D转换过程 7 5数字信号分析初步 D A转换过程 7 5数字信号分析初步 第七章 信号的分析与处理 采样是将采样脉冲序列p t 与信号x t 相乘 取离散点x nt 的值的过程 2 时域采样 混叠和采样定理 X 0 X 1 X 2 X n 第七章 信号的分析与处理 每周期应该有多少采样点 第七章 信号的分析与处理 第七章 信号的分析与处理 实验 第七章 信号的分析与处理 频域解释 7 5数字信号分析初步 采样定理 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息 信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍 这是采样的基本法则 称为采样定理 Fs 2Fmax 7 5数字信号分析初步 需注意 满足采样定理 只保证不发生频率混叠 而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x t 工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍 7 5数字信号分析初步 频混现象实验 7 5数字信号分析初步 频混计算 正常 混迭频率 Fs 信号频率 7 5数字信号分析初步 A D采样前的抗混迭滤波 7 5数字信号分析初步 3信号的截断 能量泄漏 为便于数学处理 对截断信号做周期延拓 得到虚拟的无限长信号 用计算机进行测试信号处理时 不可能对无限长的信号进行测量和运算 而是取其有限的时间片段进行分析 这个过程称信号截断 第七章 信号的分析与处理 信号的截断 能量泄漏 周期延拓后的信号与真实信号是不同的 下面我们就从数学的角度来看这种处理带来的误差情况 设有余弦信号x t 用矩形窗函数w t 与其相乘 得到截断信号 y t x t w t 将截断信号谱XT 与原始信号谱X 相比较可知 它已不是原来