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中南大学交通运输学院 第五章、数字信号处理技术 工程测试技术基础 本章学习要求： 1.了解信号模数转换和数模转换原理　　 2.掌握信号采样定理，能正确选择采样频率 3.了解数字信号处理中信号截断、能量泄露、栅栏效应等现象　 4.掌握常用的数字信号处理方法 5.1 信号处理概述 　 第五章、信号处理技术 1、信号处理的目的 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误差，如传感器的线性误差、温度影响等 2、信号分析和信号处理 信号分析研究信号的构成和特征值； 信号处理研究的是把信号经过必要变换获取所需信息的过程。 模拟信号处理系统由一系列能实现模拟运算的电路等组成 数字信号处理是用数字方法处理信号。 5.1 数字信号处理 　 第五章、数字信号处理技术 1、数字信号处理的主要研究内容 数字信号处理主要研究用数字序列来表示测试信号，并用数学公式和运算来对这些数字序列进行处理。其主要内容包括数字波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波。 2、测试信号数字化处理的基本步骤 物理信号 对象 预处理 电信号 A/D转换 数字信号 计算机 显示 D/A转换 控制 第五章、数字信号处理技术 信号预处理，包括 电压幅值调理，以便于采样； 必要的滤波，以提高信噪比，并滤去信号中的高频噪声； 隔离信号中的直流分量。 如原信号经过调制，则应先进行解调。 A/D转换是模拟信号经采样、量化并转化为二进制数的过程。 前提：截断长时间序列，有时对截取的数字序列需乘以窗函数以成为新的有限长序列；剔除数据中的奇异点；分离温飘、时飘等系统性干扰引起的趋势项。 第五章、数字信号处理技术 采样――利用采样脉冲序列p(t)，从连续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(nTs)的过程． 编码――将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。经过编码之后，信号的每个采样值对应一组代码 . 量化――量化就是把采样取得的各点上的幅值与一组离散电平值比较，以最接近于采样幅值的电平值代替该幅值，并使每一个离散电平值对应一个数字量。若两相邻量化电平之间的增量为Δx，则量化误差最大为±Δx/2.在量化过程中相邻量化电平之间的增量越小，误差越小。 5.2 模数(A/D) 　 量化误差 2) A/D转换器的技术指标 　 5.2 模数(A/D)和数模(D/A) 　 (1) 分辨率; 用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。 (2) 转换精度; 转换精度=量程/(A／D转换器的分辨力*0.5) (3) 转换速度; 指完成一次转换所用的时间，如:100ms(10Hz)；10us(100kHz) (4) 模拟信号的输入范围; 如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。 5.3 采样定理 　 第五章、数字信号处理技术 1 采样信号的频谱 采样过程是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘． 时距Ts称为采样间隔， 1/Ts= fs称为采样频率。 p(t)的傅立叶变换p(ω )也是周期脉冲序列，其频率间距为 fs = 1/Ts 信号中心落在p(ω ) 脉冲序列的频率点上 2.频混现象 　 5.3 采样定理 　 混叠必定出现在f= fs/2左右两侧的频率处。 采样频率太低，平移1/Ts 过小，那么移至各采样脉冲所在处的频谱X(f)就有一部分相互交叠，新合成的X(f)*S(f)与原S(f)不一致。 fm fm fs/2 fs fm fs/2 fs 采样频率　 5.3 采样定理 　 采样频率高，对定长的时间记录来说其数字序列就很长；如果数字序列一定，则只能处理很短的时间历程；采样频率低，则可能丢掉有用的信息。 3.采样定理 　 5.3 采样定理 　 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。 fs＞2fmax 如果一个信号的频谱具有无限的带宽，则不论如何选择采样频率fS，频混误差都不可避免。 在采样之前先用低通滤波器滤去高频噪声，这种低通滤波器称为抗混淆滤波器。 工程实际中，抗混叠滤波器不可能有理想的截止特性，在其截止频率fc之后总有一定的过渡带，采样频率通常大于信号中最高频率成分的3～4倍。 5.3 采样定理 　 A/D采样前的抗混迭滤波： 物理信号 对象 传感器 电信号 信号调制 电信号 A/D转换 数字信号 计算机 显示 展开 低通滤波(0-Fs/2) 放