测试技术第七章数字信号处理ppt课件

1、中国矿业大学机电学院第七章第七章 数字信号处置数字信号处置本章内容包括：本章内容包括：A/DA/D、D/AD/A转换，信号的截断、转换，信号的截断、能量走漏及窗函数，数字信号处置系统。能量走漏及窗函数，数字信号处置系统。中国矿业大学机电学院本章学习要求本章学习要求完成本章内容的学习后应能做到：完成本章内容的学习后应能做到： 1.1.掌握信号模数转换和了解数模转换的原理掌握信号模数转换和了解数模转换的原理 2.2.掌握信号采样定理，能正确选择采样频率掌握信号采样定理，能正确选择采样频率 3.3.掌握数字信号处理中信号截断、能量泄漏、掌握数字信号处理中信号截断、能量泄漏、栅栏效应等现象栅栏效应等现

2、象 4.4.了解数字信号处理系统了解数字信号处理系统第七章第七章 数字信号处置数字信号处置中国矿业大学机电学院数字信号处置的主要研讨内容数字信号处置的主要研讨内容 数字信号处置主要研讨用数字序列或符号序列表数字信号处置主要研讨用数字序列或符号序列表示信号，并用数字计算方法对这些序列进展处置，示信号，并用数字计算方法对这些序列进展处置，以便把信号变换成符合某种需求的方式。数字信号以便把信号变换成符合某种需求的方式。数字信号处置的主要内容包括频谱分析、数字滤波与信号的处置的主要内容包括频谱分析、数字滤波与信号的识别等。识别等。 第七章第七章 数字信号处置数字信号处置中国矿业大学机电学院测试信号数字

3、化处置的根本步骤测试信号数字化处置的根本步骤 第七章第七章 数字信号处置数字信号处置中国矿业大学机电学院 数字信号处置的优势数字信号处置的优势 (1) 可以用数学计算和计算机显示替代复杂的可以用数学计算和计算机显示替代复杂的电路和机械构造电路和机械构造 第七章第七章 数字信号处置数字信号处置中国矿业大学机电学院(2) (2) 计算机软硬件技术的开展计算机软硬件技术的开展 1)1)多种多样的工业用计算机多种多样的工业用计算机 第七章第七章 数字信号处置数字信号处置中国矿业大学机电学院2)2)尺寸小巧、功能强大的嵌入式计算机尺寸小巧、功能强大的嵌入式计算机 第七章第七章 数字信号处置数字信号处置中

4、国矿业大学机电学院3)3)灵敏、方便的计算机虚拟仪器开发软件灵敏、方便的计算机虚拟仪器开发软件 第七章第七章 数字信号处置数字信号处置中国矿业大学机电学院7 71 A/D1 A/D、D/AD/A转换转换概念：把延续时间信号转换为其相应对应概念：把延续时间信号转换为其相应对应的数字信号的过程称为模数的数字信号的过程称为模数A/D)A/D)转换转换过程，反之那么称为数模过程，反之那么称为数模D/A)D/A)转换过转换过程。程。 普通讯号的测试信号的数字处置系统组普通讯号的测试信号的数字处置系统组成如图成如图7-17-1所示。所示。第七章第七章 数字信号处置数字信号处置中国矿业大学机电学院一、一、A

5、/DA/D转换转换1 1、A/DA/D转换过程转换过程A/DA/D转换过程包括采样、量化、编码，原理如图转换过程包括采样、量化、编码，原理如图7-27-27-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院图图7-2 A/D7-2 A/D转换过程转换过程中国矿业大学机电学院1采样采样或称为抽样，就是利用采样脉冲序列或称为抽样，就是利用采样脉冲序列p(t)，从延续时间信号，从延续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值，中抽取一系列离散样值，使之称为采样信号使之称为采样信号x(nt)的过程。其中，的过程。其中，n0，1，2， t称为采样间隔，称为采样间隔，1/ tfs 称为采样频称

6、为采样频率。率。2量化量化又称幅值量化，把采样信号又称幅值量化，把采样信号x(nt)经过舍入或截尾的方法变为只需有限个有效数字的经过舍入或截尾的方法变为只需有限个有效数字的数，这一过程称为量化。数，这一过程称为量化。3编码编码将离散幅值经过量化以后变为二进制将离散幅值经过量化以后变为二进制数字数字 ，即：，即：7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院信号的信号的6等分量化过程等分量化过程 7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院 式中式中ai 取取“0或或“1。R称为量化增量或量化称为量化增量或量化步长。步长。 信号信号x(t)经过上

7、述变换以后，即成为时间上离经过上述变换以后，即成为时间上离散、幅值上量化的数字信号。散、幅值上量化的数字信号。102niiiXRDRa7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院2 2、 ADAD转换器的技术目的转换器的技术目的 1) 1) 分辨力分辨力 A/DA/D转换器的分辨力用其输出二进制数码的位数转换器的分辨力用其输出二进制数码的位数来表示。位数越多，那么量化增量越小，量化误差来表示。位数越多，那么量化增量越小，量化误差越小，分辨力也就越高。越小，分辨力也就越高。 2) 2) 转换精度转换精度 具有某种分辨力的转换器在量化过程中由于具有某种分辨力的转换器在量化

8、过程中由于采用了四舍五入的方法，因此最大量化误差应为采用了四舍五入的方法，因此最大量化误差应为分辨力数值的一半。分辨力数值的一半。 3) 3) 转换速度转换速度 转换速度是指完成一次转换所用的时间，即从转换速度是指完成一次转换所用的时间，即从发出转换控制信号开场，直到输出端得到稳定的数发出转换控制信号开场，直到输出端得到稳定的数字输出为止所用的时间。字输出为止所用的时间。 7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院直接比较型：即将输入的模拟信号直接同直接比较型：即将输入的模拟信号直接同作为规范的参考电压相比较而得出数字量。作为规范的参考电压相比较而得出数字量。包括：

9、逐次比较逼近，随动跟踪或伺服式、包括：逐次比较逼近，随动跟踪或伺服式、斜坡式。斜坡式。间接比较型：是将输入模拟电压和参考电间接比较型：是将输入模拟电压和参考电压都变成中间物理量，再进展比较，最后压都变成中间物理量，再进展比较，最后进展编码输出，这当中有电压频率式，进展编码输出，这当中有电压频率式，电压时间式等。电压时间式等。下面引见一种常用的下面引见一种常用的A/DA/D转换器转换器逐次逼逐次逼近比较式近比较式A/DA/D转换器，图转换器，图7-37-3为转换的原理为转换的原理图。图。3 3、A/DA/D转换器转换器 A/DA/D转换器开展至今，种类规格很多，转化的转换器开展至今，种类规格很多

10、，转化的原理也各不一样，但从根本转换原理上看，主原理也各不一样，但从根本转换原理上看，主要可分为两类：直接比较型和间接比较型。要可分为两类：直接比较型和间接比较型。7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院p127 图7-4数字量输出图图7-3 7-3 逐次逼近比较式逐次逼近比较式A/DA/D转换器转换器7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院二、采样信号的频率二、采样信号的频率1 1、时域采样、时域采样 采样过程是经过采样脉冲序列采样过程是经过采样脉冲序列p(t)p(t)与与延续时间信号延续时间信号x(t)x(t)相乘来完成的。根据相

11、乘来完成的。根据采样脉冲序列的外形可分为：采样脉冲序列的外形可分为： 理想采样脉冲、矩形采样脉冲理想采样脉冲、矩形采样脉冲 理想脉冲采样原理如图理想脉冲采样原理如图7-47-4所示。所示。7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院图图7-4 7-4 理想脉冲采样原理图理想脉冲采样原理图7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院 STsnp tttnT其采样脉冲序列其采样脉冲序列 sxx t p t采样信号采样信号 Fx tXFp tP假设假设12sXXP根据频率卷积定理，有根据频率卷积定理，有7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换

12、转换中国矿业大学机电学院又，采样脉冲序列是一个周期函数，所以序列又，采样脉冲序列是一个周期函数，所以序列p(t)的傅立叶变换应为：的傅立叶变换应为：2nsnPCn 221sssTjntTnsCp t edtT式中，式中，Cn 为为p(t)的傅立叶系数的傅立叶系数 1snssnnSXC XnXnT当当p(t)为脉冲序列时，为脉冲序列时，Cn1/Ts，所以，所以图图7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院 当采样脉冲为矩形脉冲序列时，此时傅立叶系数：当采样脉冲为矩形脉冲序列时，此时傅立叶系数：sinc2snSnECT sinc2sssnSnEXXnT 所以采样信号的傅

13、立叶变换所以采样信号的傅立叶变换 显然，显然，Xs()是是X()在以在以s为周期的反复过程中，幅值为周期的反复过程中，幅值按按sincns/2规律变化的函数。规律变化的函数。 7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院三、频混景象与采样定理三、频混景象与采样定理1 1、频混景象、频混景象 当时域上的采样点不够密，即时间间隔当时域上的采样点不够密，即时间间隔Ts Ts 缺乏够短时，那么会呵斥频域的周期化缺乏够短时，那么会呵斥频域的周期化间隔缺乏够大，从而导致周期谱图相互重间隔缺乏够大，从而导致周期谱图相互重叠，即谱图之间高频与低频部分发生重叠，叠，即谱图之间高频与低频

14、部分发生重叠，此即频谱混叠景象。此即频谱混叠景象。图图7-57-5为频谱混叠景象的原理图。为频谱混叠景象的原理图。7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院图图7-5 7-5 采样信号的频谱混叠景象采样信号的频谱混叠景象7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换m-mm-ms-s中国矿业大学机电学院2、采样定理、采样定理 假设采样频率假设采样频率s 2m，那么不会发生，那么不会发生混叠景象，因此必需对采样脉冲序列的间混叠景象，因此必需对采样脉冲序列的间隔隔Ts加以限制，即采样频率加以限制，即采样频率s2/Ts必必需大于或等于信号需大于或等于信号x(t)中的最

15、高频率中的最高频率m的的两倍，即两倍，即s2m或或fs 2fm，这就是采样，这就是采样定理。实践任务中普通取定理。实践任务中普通取fs =(34)2fm7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院 为了符合采样定理，使信号在为了符合采样定理，使信号在A/D转换时转换时不发生频谱混叠，可采取两种措施：不发生频谱混叠，可采取两种措施： 1提高采样频率提高采样频率fs 2降低信号中的最高频率降低信号中的最高频率fm 四、四、D/A转换器转换器 D/A转换是将数字信号恢复为延续波形的转换是将数字信号恢复为延

16、续波形的过程，普通由坚持电路实现。例如：零阶坚过程，普通由坚持电路实现。例如：零阶坚持与一阶多角坚持电路等。持与一阶多角坚持电路等。7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院零阶坚持：零阶坚持是在两个采样值之间，令输出坚零阶坚持：零阶坚持是在两个采样值之间，令输出坚持上一个采样值的值，如以下图所示：持上一个采样值的值，如以下图所示：7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换 D/A转换器普通先经过转换器普通先经过T型电阻网络将数字信号转换型电阻网络将数字信号转换为模拟电脉冲信号，然后经过零阶坚持电路将其转换为模拟电脉冲信号，然后经过零阶坚持电路将其转换为阶梯

17、状的延续电信号。只需采样间隔足够密，就可为阶梯状的延续电信号。只需采样间隔足够密，就可以准确地复现原信号。为减小零阶坚持电路带来的电以准确地复现原信号。为减小零阶坚持电路带来的电噪声，还可以在其后接一个低通滤波器。噪声，还可以在其后接一个低通滤波器。 中国矿业大学机电学院D/A转换器的主要技术目的转换器的主要技术目的 1) 分辨力分辨力 D/A转换器的分辨力可用输入的二进制数码的位转换器的分辨力可用输入的二进制数码的位数来表示。位数越多，那么分辨力也就越高。数来表示。位数越多，那么分辨力也就越高。 2) 转换精度转换精度 转换精度定义为实践输出与期望输出之比。以全转换精度定义为实践输出与期望输

18、出之比。以全程的百分比或最大输出电压的百分比表示。程的百分比或最大输出电压的百分比表示。 3) 转换速度转换速度 转换速度是指完成一次转换速度是指完成一次D/A转换所用的时间。转转换所用的时间。转换时间越长，转换速度就越低。换时间越长，转换速度就越低。 7-1 A/D7-1 A/D、D/AD/A转换转换中国矿业大学机电学院7-2 信号的截断、能量泄露及窗函数信号的截断、能量泄露及窗函数一、信号的截断及能量走漏效应一、信号的截断及能量走漏效应 傅立叶变换是研讨整个时间域和频率域的傅立叶变换是研讨整个时间域和频率域的关系。然而，当运用计算机实现工程测试信关系。然而，当运用计算机实现工程测试信号处置

19、时，不能够对无限长的信号进展运算，号处置时，不能够对无限长的信号进展运算，而是取其有限的时间历程进展分析，这就需而是取其有限的时间历程进展分析，这就需求截断。截断的方法就是将无限长的信号乘求截断。截断的方法就是将无限长的信号乘以窗函数以窗函数Window function。这里的。这里的“窗窗的含义是指透过窗口可以观测到整个外景的含义是指透过窗口可以观测到整个外景的一部分，其他被遮盖视为零。如图的一部分，其他被遮盖视为零。如图7-7：第七章第七章 数字信号处置数字信号处置中国矿业大学机电学院7-2 7-2 信号的截断、能量泄露及窗函数信号的截断、能量泄露及窗函数中国矿业大学机电学院图图7-7

20、7-7 余弦信号的截断及能量走漏景象余弦信号的截断及能量走漏景象7-2 7-2 信号的截断、能量泄露及窗函数信号的截断、能量泄露及窗函数中国矿业大学机电学院 余弦信号余弦信号x(t)在时域分布为无限长在时域分布为无限长，当用矩形窗函数当用矩形窗函数(t)与其相乘时，得到截断信号与其相乘时，得到截断信号xT(t)=x(t)w(t) 。根据傅立叶变换关系，余弦信号的。根据傅立叶变换关系，余弦信号的频谱频谱x()是位于是位于0 处的处的函数，而矩形函数函数，而矩形函数w(t) 的的谱为谱为sinc()函数，按照频域卷积定理，那么截断信函数，按照频域卷积定理，那么截断信号号xT(t)的谱的谱XT()应

21、为应为 ： 12TXXW7-2 7-2 信号的截断、能量泄露及窗函数信号的截断、能量泄露及窗函数中国矿业大学机电学院 走漏：原来的信号被截断以后，其频谱发走漏：原来的信号被截断以后，其频谱发生了畸变，原来集中在生了畸变，原来集中在0处的能量被分散到处的能量被分散到较宽的频带中去了，这种景象称之为走漏较宽的频带中去了，这种景象称之为走漏Leakage)。 走漏将会降低信号频域的分辨力，为了减走漏将会降低信号频域的分辨力，为了减小由此带来的分析误差，信号处置时采用以小由此带来的分析误差，信号处置时采用以下两种措施：下两种措施：1添加截断长度添加截断长度2采用不同的窗函数采用不同的窗函数7-2 7-

22、2 信号的截断、能量泄露及窗函数信号的截断、能量泄露及窗函数中国矿业大学机电学院 常用窗函数分为以下类型：常用窗函数分为以下类型：1幂窗幂窗采用时间变量某种幂次的函数，采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三角形、梯形或其他时间如矩形、三角形、梯形或其他时间(t)的高次幂的高次幂;2三角函数窗三角函数窗运用三角函数，即正弦或运用三角函数，即正弦或余弦函数等组合成复合函数，如汉宁窗、海明窗；余弦函数等组合成复合函数，如汉宁窗、海明窗；3指数窗指数窗采用指数时间函数，如采用指数时间函数，如e-at 方方式，如高斯窗等。式，如高斯窗等。二、常用窗函数二、常用窗函数7-2 7-2 信号的截断、能量泄露及

23、窗函数信号的截断、能量泄露及窗函数中国矿业大学机电学院1 1矩形窗矩形窗 2 2 三角窗三角窗 7-2 7-2 信号的截断、能量泄露及窗函数信号的截断、能量泄露及窗函数中国矿业大学机电学院3 3汉宁窗汉宁窗7-2 7-2 信号的截断、能量泄露及窗函数信号的截断、能量泄露及窗函数中国矿业大学机电学院(4) 海明窗海明窗 海明海明Hamming窗也是余弦窗的一种，又称改窗也是余弦窗的一种，又称改良的升余弦窗，其时间函数表达式为良的升余弦窗，其时间函数表达式为 其窗谱为其窗谱为 海明窗与汉宁窗都是余弦窗，只是加权系数不同。海明窗与汉宁窗都是余弦窗，只是加权系数不同。海明窗加权的系数能使旁瓣到达更小。

24、海明窗加权的系数能使旁瓣到达更小。 7-2 7-2 信号的截断、能量泄露及窗函数信号的截断、能量泄露及窗函数中国矿业大学机电学院(5) (5) 高斯窗高斯窗 高斯窗是一种指数窗，其时域函数为高斯窗是一种指数窗，其时域函数为 式中式中a a为常数，决议了函数曲线衰减的快慢。为常数，决议了函数曲线衰减的快慢。 7-2 7-2 信号的截断、能量泄露及窗函数信号的截断、能量泄露及窗函数中国矿业大学机电学院窗函数的选择：窗函数的选择： 应思索被分析信号的性质与处置要求。应思索被分析信号的性质与处置要求。假设仅要求准确读出主瓣频率，而不思索幅值精度，假设仅要求准确读出主瓣频率，而不思索幅值精度，那么可选用

25、主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗，那么可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗，例如丈量物体的自振频率等；例如丈量物体的自振频率等；假设分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，那么应假设分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，那么应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等；选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等；对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提高信噪比。高信噪比。 7-2 7-2 信号的截断、能量泄露及窗函数信号的截断、能量泄露及窗函数中国矿业大学机电学院7 73 3 数字信号处置系统数字信号处置系统一、数字信号处置系统的组成一、数字信号处置系统

26、的组成1 1、信号预处置、信号预处置 数字信号处置系统普通由以下图几部分组成：数字信号处置系统普通由以下图几部分组成： 定义：是指在数字处置之前，对信号用模定义：是指在数字处置之前，对信号用模拟方法进展的处置。拟方法进展的处置。第七章第七章 数字信号处置数字信号处置中国矿业大学机电学院 目的：把信号变成适于数字处置的方式，以减少目的：把信号变成适于数字处置的方式，以减少数字处置的困难。数字处置的困难。系统的预处置主要包括以下几个部分：系统的预处置主要包括以下几个部分：1 1解调器解调器 用于对由远间隔传输到信号处置系统的调制信号用于对由远间隔传输到信号处置系统的调制信号进展解调。进展解调。2

27、2输入放大器衰减器输入放大器衰减器 对输入信号的幅值进展处置，使信号幅值与对输入信号的幅值进展处置，使信号幅值与A/DA/D转换器的动态范围相顺应。转换器的动态范围相顺应。7 73 3 数字信号处置系统数字信号处置系统中国矿业大学机电学院3 3抗频混滤波器抗频混滤波器 衰减信号中不感兴趣的高频部分，减小频混的衰减信号中不感兴趣的高频部分，减小频混的影响。影响。4 4隔直电路隔直电路 隔离被分析信号中的直流分量，可用于消除趋隔离被分析信号中的直流分量，可用于消除趋势项及直流分量等干扰。势项及直流分量等干扰。 2 2、信号采集、信号采集 定义：信号采集是将预处置以后的模拟信号变定义：信号采集是将预处置以后的模拟信号变为数字信号，存入到指定的地方。其中心为为数字信号，存入到指定的地方。其中心为A/DA/D转换器由以下几部分组成。转换器由以下几部分组成。7 73 3 数字信号处置系统数字信号处置系统中国矿业大学机电学院1 1采样坚持电路采样坚持电路 这个电路在这个电路在A/DA/D转换之前，是为转换之前，是为A/DA/D进展转换期进展转换期间，坚持信号输入不变而设置的。间，坚持信号输入不变而设置的。2 2时基信号发生器时基信号发生器 产生一定时间间隔脉冲信号，控制采样。产生一定时间间隔脉冲信号，控制采样。3 3触发系统触发系统 决议采样的开场点。决议采样的开场点。4 4控制器控制器