信号处理PPT课件

第4章信号处理 2020 4 24 本章内容 信号的发生信号的时域分析信号的频域分析信号的调理波形的监测逐点分析 2020 4 24 信号处理VI 函数 信号处理 2020 4 24 信号发生 基本函数发生器多频信号发生器噪声信号发生器 信号发生是信号处理的重要功能之一 常用来产生测试系统的激励测试信号和模拟测试信号 LabVIEW中产生信号的方法有两种 波形生成和信号生成 从信号发生的角度考虑 二者几乎没有区别 但从生成的数据特点考虑 首先 波形生成产生的是波形数据 信号生成产生的是一维数组数据 其次 波形生成产生的横坐标是时间单位的索引 信号生成产生的横坐标是数组数据的索引 用公式节点产生信号用ExpressVI产生信号 2020 4 24 波形生成 波形生成子选板 波形生成VI功能说明 波形生成VI功能说明 续 波形生成VI应用示例 基本函数发生器 该VI可以由指定的信号类型 生成正弦波 三角波 方波和锯齿波四种波形信号 2020 4 24 基本函数发生器 一个信号类型 频率 幅值 相位等信息可调的信号发生器 通过前面板的参数设置选项 可以选定输出信号的类型并设置输出信号的频率 幅值 相位等信息 运行该实例 当 重置信号 设为 关 时 则时间会一直变化 频率不是整数时 相位也会一直变化 当 重置信号 设为 开 时 则每次循环时间标识不变 相位也不变 2020 4 24 基本函数发生器 产生Sinc信号 方法1 方法2 根据定义产生Sinc信号时 分母不能为0 在LabVIEW中如果分母为0 程序不会报错 但画出来的函数图像会不美观 解决这一问题的方法是在0点处加入一个无穷小量 sin x x sin x x 2020 4 24 多频信号发生器 用MultitoneGenerator vi 混合单频发生器 产生一个多频信号 多频信号是由多种频率成分的正弦波叠加而成的波形信号 2020 4 24 噪声信号发生器 该VI生成均匀分布的伪随机波形 幅度值可指定 产生的均匀白噪声波形的频率成分由采样频率决定 其最高频率成分等于采样频率的一半 因此 若想生成频率覆盖0 5kHz的均匀白噪声 采样频率必须设为10kHz 2020 4 24 白噪声 2020 4 24 用公式节点产生信号 用公式节点产生信号y1 x 3 x 2 5 y2 mx b 2020 4 24 用ExpressVI产生信号 用ExpressVI产生阶梯信号 ExpressVI一般都有配置面板 在配置面板中输入X Y的值即可产生想要的信号波形 ExpressVI 2020 4 24 2020 4 24 时域分析 基本平均值与均方差测量过渡态测量提取信号单频信息相关谐波失真分析 2020 4 24 时域分析VI 函数 信号处理 波形测量 函数 信号处理 信号运算 信号时域分析VI位于函数选板的 信号处理 信号运算 子选板 能够实现信号的卷积 相关 归一化等运算功能 2020 4 24 基本平均值与均方差测量 测量带高斯白噪声的方波的基本平均值与均方差 2020 4 24 过渡态测量 当设计一个系统时 常需要测量系统的动态响应 通常考查的指标有 上升时间tr调整时间ts超调量 若输出峰值为y tp 稳态值为y 2020 4 24 过渡态测量 测量阶跃响应输出的上升时间及超调量 2020 4 24 提取信号单频信息 如将实数波形数组连接至时间信号输入 LabVIEW将默认选中提取混合单频信息 N通道 实例 如将复数波形数组连接至时间信号输入 默认状态下 LabVIEW将选择 提取混合单频信息 CDB 实例 2020 4 24 相关 对一个含噪信号进行周期性分析 自相关函数的一个重要应用是检验信号中是否含有周期成分 2020 4 24 谐波失真分析 输入信号 是振幅为1 频率为10Hz的正弦信号 通过系统后 测量信号的谐波失真 输出信号为 2020 4 24 频域分析 傅立叶变换拉普拉斯变换功率谱分析 2020 4 24 频域分析VI 函数 信号处理 变换 函数 信号处理 谱分析 2020 4 24 双边傅立叶变换 2020 4 24 单边傅立叶变换 2020 4 24 拉普拉斯变换 f t sin t 在区间 0 6 上的拉普拉斯变换 实数信号x s 的实数拉普拉斯变换定义为 2020 4 24 功率谱分析 验证帕斯瓦尔定理 信号在时域中计算的总能量 等于在频域中计算的总能量 2020 4 24 信号调理 滤波器窗函数波形调理 2020 4 24 滤波器 函数 信号处理 滤波器 在滤波器子选板提供的各种VI中 其中IIR滤波器类型有Butterworth滤波器 Chebyshev滤波器 反Chebyshev滤波器 椭圆滤波器和贝塞尔滤波器 FIR滤波器有基于乘窗设计的FIR加窗滤波器和基于Parks McClellan算法的等波纹带通 等波纹带阻 等波纹高通 等波纹低通滤波器等 同时还提供高级IIR和高级FIR滤波器子选板 用于实现滤波器的设计 Finiteimpulseresponse FIR Infiniteimpulseresponse IIR 2020 4 24 滤波器 实现一个低通滤波器 默认情况下 滤波器的上 下限频率都是归一化频率 如果想要直观地反映当前设置的上 下限频率 只要把滤波器的采样率端口设置成信号的采样率即可 归一化频率的计算公式为f 模拟频率 采样频率 单位为周期数 每采样 2020 4 24 滤波器 产生一个多频成分信号通过切比雪夫带通水滤波器筛选150 350Hz信号 带通滤波器 窗函数 在利用计算机实现工程测试信号处理时 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 具体做法 从信号中截取一个时间片段 然后用这个信号时间片段进行周期延拓处理 得到虚拟的无限长的信号 然后对信号进行傅里叶变换 相关分析等数学处理 问题 无限长的信号被截断以后 其延拓信号周期与周期之间信号是不连续的 其频谱将发生畸变 原来集中在某一频率处的能量被分散到两个较宽的频带中去了 这种现象称之为频谱能量泄漏 解决方法 在不可能得到无限长信号的情况下 解决频谱能量泄漏的方法就是加窗 频谱能量泄漏大小取决于周期延拓时信号突变的幅度 跳跃月到 泄漏越大 加窗就是将原始采样波形乘以幅度变化平滑且边缘趋零的有限长度的窗来减小每个周期边界处的突变 2020 4 24 窗函数 截断信号减少谱泄漏分离频率相近的大幅值信号与小幅值信号 函数 信号处理 窗 1 信号加窗前后频谱对比实例 窗函数应用示例 Hamming窗 2020 4 24 窗函数 小幅值信号分辨 2020 4 24 波形调理 函数 信号处理 波形调理 波形调理是对原始信号进行时域或频域的预处理 其目的是尽量减少干扰信号的影响 提高信号的信噪比 波形调理会直接影响到信号分析的结果 因此一般来说它是信号分析前需要的必要步骤 常用的波形调理有滤波 对齐 重采样等 波形调理VI位于函数选板的 信号处理 波形调理 子选板中 2020 4 24 波形调理 连续波形对齐 8 19 波形B比波形A延迟0 01s 没有对齐前两个波形在同一起点 看不出有延迟 单次波形对齐 8 20 需要指定对齐的区间 2020 4 24 波形调理 波形重采样 重采样降低了采样率 减少信号处理运算量 图中虚线表示的是原始曲线 采样率为1KHz 红色圈表示的曲线是重采样后的曲线 采样率为500Hz 2020 4 24 波形监测 边界检测波峰波谷检测触发与门限 2020 4 24 波形监测VI 函数 信号处理 波形测量 波形监测 2020 4 24 边界检测 2020 4 24 波峰波谷检测 2020 4 24 触发与门限 2020 4 24 逐点分析 函数 信号处理 逐点分析库 在数字信号处理中 传统的基于缓冲和数组的数据分析过程是先将采集得到的数据放在缓冲区或数组中 待数据量达到一定的要求时 才将这些数据进行一次性分析处理 由于采集和构建这些有一定要求的数据需要时间 因此这种分析方法难以实现高速实时分析 为了实现数据采集与分析 LabVIEW提供的逐点分析VI 逐点VI在数据分析时针对每一个采集的数据点都可以立即进行分析 数据可以实现实时处理 使用逐点分析能够跟踪和处理实时事件 实现与信号的同步 减少数据丢失的可能性 同时程序设计也更加容易 由于无须构建数组 所以对采样速率要求更低 2020 4 24 逐点分