新LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用 教学课件 吴成东 孙秋野 盛科 第10章 数字信号处理.ppt

第10章 数字信号处理 可用计算机进行处理的信号都是数字信号。数字信号处理是LabVIEW的重要组成部分之一，其在信号发生、分析和处理方面有着明显的优势。它将信号处理所需要的各种功能封装成了一个个的VI函数，用户可以利用这些VI函数迅速实现所需的功能，大大减少了在进行复杂数字信号处理时花费的精力。 用于测量的虚拟仪器执行的典型测量任务有： （1）计算信号中存在的总的谐波失真； （2）决定系统的脉冲响应或传递函数； （3）估计系统的动态响应参数，如超调量、上升时间等； （4）计算信号的幅频特性和相频特性； （5）估计信号中含有的直流成分和交流成分。 这些任务都要求在数据采集的基础上进行信号处理。 10.1 信 号 生 成 信号生成函数位于“函数”选板下的“信号处理→信号生成”子选板中。 “基于持续时间的信号发生器”基于信号类型给出的形状，生成一个信号。 该函数的信号类型可以有以下几种：正弦信号、余弦信号、三角信号、方波信号、锯齿波信号、上升斜坡信号和下降斜坡信号，如果该端子输入的是数字，则它们分别对应于1～7。默认的信号类型是正弦信号。 10.2 波 形 调 理 波形调理中的VI主要用于对信号进行数字滤波和加窗处理，目的是为了减少干扰信号的影响，从而提高信号的信噪比。一般来说，在进行信号分析前都要先将信号进行波形调理。波形调理函数位于“函数”选板下的“信号处理→波形调理”子选板中，其界面如图10-5所示。 10.3 信 号 运 算 信号运算中的VI主要用于信号操作并返回输出信号。用户可以利用提供的函数来对信号进行交直流成分检测、卷积、逆卷积、自相关、互相关等分析。信号运算函数位于“函数”选板下的“信号处理→信号运算”子选板中，其界面如图10-8所示。 信号运算函数的端口定义一般来说都比较简单，因而使用起来也比较容易。 10.4 谱 分 析 谱分析中的VI主要用于在频谱上执行数组的相关分析。谱分析是频域分析常用的一种手段，也是数字信号处理中常用的、重要的方法之一。谱分析函数位于“函数”选板下的“信号处理→谱分析”子选板中，其界面如图10-11所示。 以“功率谱”函数为例，其端口接线端子如图10-12所示。 10.5 数字滤波器 滤波器可以分为模拟滤波器和数字滤波器。前面讨论的波形处理用到的都是一些模拟滤波器，本节则主要介绍数字滤波器。数字滤波器的输入与输出都是离散的时间信号，主要用来对输入信号进行筛选，只有处于特定频段内的信号才能通过。数字滤波器是信号处理的重要内容，在很多方面它已经能够取代模拟滤波器，尤其是在一些对灵活性和编程能力要求比较高的领域中。 与模拟滤波器相比，数字滤波器有如下好处： （1）可以用软件编程，易于搭建和测试虚拟平台； （2）稳定性高，可预测； （3）操作简单，只需要3种基本的数学操作（“+”、“?”、“*”）即可实现所需功能； （4）不因温度、湿度等外界环境的变化而产生误差，不因使用时间的增加而老化； （5）不需要有高精度的元器件，具有很高的性价比。 10.6 窗 在大多数情况下，使用DFT或FFT分析给定时域信号的频谱时，采样数会受到限制。这是因为分析算法假设时域信号的第一个周期为采样信号，随后将周期性复制这个采样信号以生成周期性波形，从而导致周期间信号不连续并引起突变，造成“谱漏”现象。这些突变将导致在频谱中出现源信号中不存在的高频，从能量的角度来看，好像是某个频率的能量“泄漏”到了其他所有频率中了，即所谓的“谱漏”。 为了解决谱漏问题，一般来说有两种方法：一是无限延长采样周期，从而获取到从??～+?的无限个时间记录以得到理想的FFT解，由于实际应用时不可能无限延长采样周期，因此该方法是不现实的；二是采用加窗技术，这是一种比较实用的方案。 由于谱漏主要取决于突变的幅度，突变越大，谱漏越多，因此加窗技术的原理就是将原始采样波形乘以一个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。 本章小结 数字信号处理是LabVIEW的一个重要组成部分，LabVIEW中提供了大量的信号处理VI，用户可以利用这些VI快速实现所需的功能而无需研究复杂的信号处理算法。本章主要介绍了信号生成、波形调理、信号运行等几种常用的信号处理方法，并结合了具体举例来说明相关函数的使用方法。通过本章的学习，读者应该熟练掌握不同信号类型的信号