08第7章12节2.ppt

1、第七章 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。,信号处理的目的是： 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 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。 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。,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、灵活、快速、

2、高效、设备体积小、重量轻等优点，得到广泛的应用。,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如下图所示。,一、信号的预处理 信号的预处理主要包括：,电压幅值调理根据A/D转换的量程要求，把信号电压值调整到适当的范围。 滤波滤去信号中的噪声，提高信噪比。 隔直隔离信号中的直流分量（主要是针对振动测试）。 解调如果原信号是经过调制的信号。,二、A/D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进制数的过程。,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 用计算机对幅值离散的时间序列进行运算处理。

3、 在运算处理之前，要对数据中的奇异点进行剔除，可以通过专门的程序进行数字滤波。,四、结果显示或打印,第二节 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。,一、计算机数据采集的原理 1. 数据采集的方式 计算机数据采集一般用数据采集卡实现。,A/D转换过程示意图,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 A/D 转换的一个环节。,在数学处理上，采样可以看作是

4、以等时距 TS的单位脉冲序列（梳状函数）去乘连续时间信号 x(t)。,s (t)即前面讲过的comp( t, nTS ),这样相乘的结果，相当于长度为 T 的连续时间信号 x ( t ) 从 t=0 点开始采样，得到离散时间序列 x ( n ),x ( t )x ( nTS),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，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。 在时域上采样间隔为 TS 的时间序列

5、，在频域上变为频率间隔为 1 / TS= fS 的周期函数。,如果在时域内采样间隔 TS 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，就会出现信号失真。,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。 其次，要使采样频率,Shannon（香农）采样定理,在工程实际测试中，常用,注意： 计算机数据采集的采样频率达到 400 kHz 很平常。 计算机数据采集可用 DMA（直接存入硬盘）方式。,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

6、有限矩形窗函数。,在数学上，x ( t ) s ( t ) 表示对连续信号 x ( t )进行采样，得到的是离散的时间序列（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形窗函数 w ( t ) 乘采样后的信号，其时域、频域的相应关系为,前面已讲过，矩形窗函数 w ( t ) 的傅氏变换W ( f ) 是一个无限带宽的信号。,因此，即使 x ( t ) 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。,用矩形窗函数截断后，做离散变量傅立叶变换（DFT）时，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

7、频率多高，信号总是不可避免地出现混叠。因此，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。,四、常用的窗函数,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。,选择窗函数的原则是： （1）其频谱的主瓣宽度要小可提高频率分辨能力 （2）其频谱的旁瓣幅度要小可减小泄漏,因此，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） （2）最大旁瓣 10 倍频程衰减率（考察泄漏程度） （3）主瓣宽度（考察频率分辨能力）,

8、下面介绍几种窗函数的特点。,1. 矩形窗,1 | t | T / 2,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，凡是将信号截断、分块都相当于对信号加了矩形窗。,矩形窗的（1）主瓣高为 T，宽为 2 / T,（2）第一旁瓣幅值为 13db（相当于主瓣高的20）,（3）旁瓣衰减率为 20db / 10 倍频程,2. 三角窗 三角窗的定义为,0,三角窗的频谱为,三角窗（1）主瓣高为 T / 2 ，宽为 4 / T；,（2）第一旁瓣为 27 db（为主瓣的 4.5 %）；,（3）旁瓣低，不会出现负值。,3. 汉宁窗（余弦窗） 汉宁窗定义为,0,汉宁窗的频谱为,汉宁窗（1）主瓣高为 T / 2，宽为 4 / T；