2.1第章节ppt课件

1、第七章第七章 信号处理初步信号处理初步 测试得到的信号经常是有用信号与各种噪声干扰信测试得到的信号经常是有用信号与各种噪声干扰信号混杂在一起的，有时有用信号也不明显、不突出，难号混杂在一起的，有时有用信号也不明显、不突出，难于直接识别和利用。于直接识别和利用。 信号处理的目的是：信号处理的目的是：分离有用信号、噪声，提高信噪比分离有用信号、噪声，提高信噪比从信号中提取有用的特征信号从信号中提取有用的特征信号修正测试系统的某些错误如传感器的线性误差、温度影响等）修正测试系统的某些错误如传感器的线性误差、温度影响等） 信号处理可分为模拟信号处理和数字信号处理。信号处理可分为模拟信号处理和数字信号处

2、理。 模拟信号处理是通过一系列能够实现模拟运算的电路来实现模拟信号处理是通过一系列能够实现模拟运算的电路来实现的，这些电路包括模拟滤波器、乘法器、微分放大器等环节。模拟的，这些电路包括模拟滤波器、乘法器、微分放大器等环节。模拟信号处理也可作为数字信号处理的预处理，例如进行滤波、限幅、信号处理也可作为数字信号处理的预处理，例如进行滤波、限幅、隔直、解调等预处理。隔直、解调等预处理。 数字信号处理在计算机上进行，通过运用数学方法来处理数字信号处理在计算机上进行，通过运用数学方法来处理信号。数字信号处理具有稳定、灵敏、快速、高效、设备体积小、信号。数字信号处理具有稳定、灵敏、快速、高效、设备体积小、

3、重量轻等优点，得到广泛的应用。重量轻等优点，得到广泛的应用。第一节第一节 数字信号处理的基本步骤数字信号处理的基本步骤 数字信号处理的基本步骤如下图所示。数字信号处理的基本步骤如下图所示。 一、信号的预处理一、信号的预处理 信号的预处理主要包括：信号的预处理主要包括： 电压幅值调理电压幅值调理根据根据A/D转换的量程要求，把信号电压值调转换的量程要求，把信号电压值调整到适当的范围。整到适当的范围。 滤波滤波滤去信号中的噪声，提高信噪比。滤去信号中的噪声，提高信噪比。 隔直隔直隔离信号中的直流分量主要是针对振动测试）。隔离信号中的直流分量主要是针对振动测试）。 解调解调如果原信号是经过调制的信号

4、。如果原信号是经过调制的信号。 二、二、A/D转换转换 A/D转换是将连续的模拟信号经采样、量化并转化为离散的二转换是将连续的模拟信号经采样、量化并转化为离散的二进制数的过程。进制数的过程。 经过经过A/D转换，时间和幅值均为连续的模拟信号转化为时间和转换，时间和幅值均为连续的模拟信号转化为时间和幅值均为离散的数字量幅值离散的时间序列）。幅值均为离散的数字量幅值离散的时间序列）。 三、数字信号处理三、数字信号处理 用计算机对幅值离散的时间序列进行运算处理。用计算机对幅值离散的时间序列进行运算处理。 在运算处理之前，要对数据中的奇异点进行剔除，可以通过专在运算处理之前，要对数据中的奇异点进行剔除

5、，可以通过专门的程序进行数字滤波。门的程序进行数字滤波。 四、结果显示或打印四、结果显示或打印第二节第二节 信号数字化的有关问题信号数字化的有关问题 数字信号处理需要先把一个连续变化的模拟信号转化为数字数字信号处理需要先把一个连续变化的模拟信号转化为数字信号，然后由计算机进行信号处理，从中提取有用信息。信号数信号，然后由计算机进行信号处理，从中提取有用信息。信号数字化过程可能引起信号和信号所蕴含信息的失真。字化过程可能引起信号和信号所蕴含信息的失真。 一、计算机数据采集的原理一、计算机数据采集的原理 1. 数据采集的方式数据采集的方式 计算机数据采集一般用数据采集卡实现。计算机数据采集一般用数

6、据采集卡实现。A/D转换过程示意图转换过程示意图 二、时域采样、混叠和采样定理二、时域采样、混叠和采样定理 采样是把连续时间信号变为离散时间序列的过程。这一过程采样是把连续时间信号变为离散时间序列的过程。这一过程相当于在连续时间信号上摘取许多离散时刻上的信号瞬时值。相当于在连续时间信号上摘取许多离散时刻上的信号瞬时值。 注意：采样只是注意：采样只是 A/D 转换的一个环节。转换的一个环节。 在数学处理上，采样可以看作是以等时距在数学处理上，采样可以看作是以等时距 TS的单位脉冲序列的单位脉冲序列梳状函数去乘连续时间信号梳状函数去乘连续时间信号 x(t)。nsnTttxtstx)()()()(s

7、 (t)即前面讲过即前面讲过的的comp( t, nTS ) 这样相乘的结果，相当于长度为这样相乘的结果，相当于长度为 T 的连续时间信号的连续时间信号 x ( t ) 从从 t=0 点开始采样，得到离散时间序列点开始采样，得到离散时间序列 x ( n ) )()(SnTxnxx ( t )x ( nTS)(Sfnx 在采样时，采样间隔的选择是一个重要问题：在采样时，采样间隔的选择是一个重要问题： 采样间隔太小采样频率高），对定长时间来说，采集的采样间隔太小采样频率高），对定长时间来说，采集的数据量大，计算工作量大；对数字序列长度一定来说，则只能处数据量大，计算工作量大；对数字序列长度一定来说

8、，则只能处理较短的时间历程。理较短的时间历程。 采样间隔过大采样频率过低），可能丢掉有用的信息，采样间隔过大采样频率过低），可能丢掉有用的信息，对高频信号出现混叠现象。对高频信号出现混叠现象。 所谓混叠现象是在频域上才能观察到的现象。所谓混叠现象是在频域上才能观察到的现象。 在时域上采样间隔为在时域上采样间隔为 TS 的时间序列，在频域上变为频率间隔的时间序列，在频域上变为频率间隔为为 1 / TS= fS 的周期函数。的周期函数。 如果在时域内采样间隔如果在时域内采样间隔 TS 过大，即采样频率低，则在频域上过大，即采样频率低，则在频域上造成两个周期函数混叠的现象。信号混叠后再转换回时域时，

9、就造成两个周期函数混叠的现象。信号混叠后再转换回时域时，就会出现信号失真。会出现信号失真。 为了避免出现频率混叠：为了避免出现频率混叠： 首先，通过低通滤波器滤去高频成分，使其成为带限信号。首先，通过低通滤波器滤去高频成分，使其成为带限信号。 其次，要使采样频率其次，要使采样频率hsff2Shannon香农采样定理香农采样定理在工程实际测试中，常用在工程实际测试中，常用hsff)105(注意：注意： 计算机数据采集的采样频率达到计算机数据采集的采样频率达到 400 kHz 很平常。很平常。 计算机数据采集可用计算机数据采集可用 DMA直接存入硬盘方式。直接存入硬盘方式。 三、截断、泄漏和窗函数

10、三、截断、泄漏和窗函数 在信号处理中，我们只能对有限长的信号进行处理，因此必在信号处理中，我们只能对有限长的信号进行处理，因此必须截断过长的信号时间历程。须截断过长的信号时间历程。 从数学上，截断就是将信号乘以时域的有限矩形窗函数。从数学上，截断就是将信号乘以时域的有限矩形窗函数。 在数学上，在数学上，x ( t ) s ( t ) 表示对连续信号表示对连续信号 x ( t )进行采样，得到进行采样，得到的是离散的时间序列信号）。的是离散的时间序列信号）。 从采样信号从采样信号x ( t ) s ( t ) 上截取一段，就相当于在时域中用矩上截取一段，就相当于在时域中用矩形窗函数形窗函数 w

11、( t ) 乘采样后的信号，其时域、频域的相应关系为乘采样后的信号，其时域、频域的相应关系为)(*)(*)()()()(fWfSfXtwtstx 前面已讲过，矩形窗函数前面已讲过，矩形窗函数 w ( t ) 的傅氏变换的傅氏变换W ( f ) 是一个无是一个无限带宽的信号。限带宽的信号。 因而，即便因而，即便 x ( t ) 是带限信号，截断后也必然成为无限带宽是带限信号，截断后也必然成为无限带宽的信号。这种信号的能量在频率轴分布扩展的现象称为泄露。的信号。这种信号的能量在频率轴分布扩展的现象称为泄露。 用矩形窗函数截断后，做离散变量傅立叶变换用矩形窗函数截断后，做离散变量傅立叶变换DFT时，

12、时，两端信号失真大。两端信号失真大。 由于，截断后信号带宽变为无限带宽，无论采样频率多高，信由于，截断后信号带宽变为无限带宽，无论采样频率多高，信号总是不可避免地出现混叠。因而，信号截断必然导致一些误差。号总是不可避免地出现混叠。因而，信号截断必然导致一些误差。 为了减小用矩形窗函数进行截断的影响，常采用其它的时窗为了减小用矩形窗函数进行截断的影响，常采用其它的时窗函数时域内的窗函数对所截取的时域信号进行加权处理。因函数时域内的窗函数对所截取的时域信号进行加权处理。因而窗函数的合理选择也是信号处理中的重要问题。而窗函数的合理选择也是信号处理中的重要问题。 四、常用的窗函数四、常用的窗函数 为了

13、减小或抑止泄漏，可以采用不同形式的窗函数来对时域为了减小或抑止泄漏，可以采用不同形式的窗函数来对时域信号进行加权处理。信号进行加权处理。 选择窗函数的原则是：选择窗函数的原则是： （1其频谱的主瓣宽度要小其频谱的主瓣宽度要小可提高频率分辨能力可提高频率分辨能力 （2其频谱的旁瓣幅度要小其频谱的旁瓣幅度要小可减小泄漏可减小泄漏 因而，窗函数的优劣可从以下方面来评价：因而，窗函数的优劣可从以下方面来评价： （1最大旁瓣峰值与主瓣峰值之比考察泄漏程度）最大旁瓣峰值与主瓣峰值之比考察泄漏程度） （2最大旁瓣最大旁瓣 10 倍频程衰减率考察泄漏程度）倍频程衰减率考察泄漏程度） （3主瓣宽度考察频率分辨能

14、力）主瓣宽度考察频率分辨能力） 下面介绍几种窗函数的特点。下面介绍几种窗函数的特点。 1. 矩形窗矩形窗 1 | t | T / 2)(sin)(fTcTfW进行傅氏变换后，得到频谱函数进行傅氏变换后，得到频谱函数 W ( f ) 在信号处理时，矩形窗是使用最多的窗函数，凡是将信号截在信号处理时，矩形窗是使用最多的窗函数，凡是将信号截断、分块都相当于对信号加了矩形窗。断、分块都相当于对信号加了矩形窗。 矩形窗的矩形窗的1主瓣高为主瓣高为 T，宽为，宽为 2 / T（2第一旁瓣幅值为第一旁瓣幅值为 13db相当于主瓣高的相当于主瓣高的20）（3旁瓣衰减率为旁瓣衰减率为 20db / 10 倍频程

15、倍频程 2. 三角窗三角窗 三角窗的定义为三角窗的定义为)(twTtT2102Tt 2Tt 三角窗的频谱为三角窗的频谱为)2(sin2)(2fTcTfWT 三角窗三角窗1主瓣高为主瓣高为 T / 2 ，宽为，宽为 4 / T；（2第一旁瓣为第一旁瓣为 27 db为主瓣的为主瓣的 4.5 %）；）；（3旁瓣低，不会出现负值。旁瓣低，不会出现负值。 3. 汉宁窗余弦窗）汉宁窗余弦窗） 汉宁窗定义为汉宁窗定义为)(tw)2cos(2121Tt02Tt 2Tt 汉宁窗的频谱为汉宁窗的频谱为)1()1(41)(21)(TfWTfWfWfWRRR 汉宁窗汉宁窗1主瓣高为主瓣高为 T / 2，宽为，宽为 4 / T；（2第一旁瓣幅值为第一旁瓣幅值为32db，约为主瓣高的，约为主瓣高的 2.4 %；（3旁瓣衰减率为旁瓣衰减率为 60 db / 10倍频程。倍频程。 4. 指数窗指数窗 指数窗的定义为指数窗的定义为)(twate00t0t)0( a指数窗的幅频谱为指数窗的幅频