6-第三章数字信号处理基础.ppt

华北电力大学机械工程学院 测试技术 * 第三节、数字信号的分析与处理基础 模拟系统与数字信号 磁带与MP3 声卡的A/D与D/A 数字信号处理技术: 数字信号处理软件\硬件 一.数字信号处理基本步骤 　 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 传感器 电信号 预处理 电信号 A/D转换 数字信号 数字信号分析技术 显示 D/A转换 控制 预处理： 目的:把信号调理成适宜进行数字信号处理的形式 环节：电压幅值调理、滤波、隔直、解调； A/D转换过程 采样、量化、编码（二进制转化） 数字信号分析 频谱、相关、功率谱、模态 3、数字信号处理的优势 1)用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构 2)计算机软硬件技术发展的有力推动 十进制转二进制 幅值域离散 4. A/D转换过程 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。 量化――把采样信号x（nTs）经过舍入变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化． 时域离散 采样频率? 量化误差? 二进制? 量化误差图示 量化误差：计算方法 0-10V，8位A/D误差：20mv 4. A/D转换器的指标 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)转换速度 指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1KHz)； 3)模拟信号的输入范围 如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。 x(t) FT IFT X(f) 采样过程关键问题：采样频率的确定 二 时域采样及采样定理 　 1 采样信号的频谱 采样过程是将采样脉冲序列g(t) （即comb（t,Ts），Fs=1/Ts为采样频率）与信号x(t)相乘． 采样函数 采样 DFT IDFT 2.混叠现象 　 频域解释 时域解释 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 需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，只能保证对信号的频谱作逆傅立叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号xs(t)，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到4倍，甚至10倍以上。 频混计算： 　 Fs Fs Fs Fs 频混 正常 Fs/2 工程处理： Fs/2为折叠频率 概念介绍: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) 放大 四 信号的截断、能量泄漏、窗函数 　 为便于数学处理，通常对截断的信号做周期延拓，得到虚拟的无限长的信号。 当运用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析，这个信号截取过程成为信号的截断。 方法:乘窗函数 周期延拓后的信号与真实信号是不同的，下面我们就从数学的角度来看这种处理带来的误差情况。 设有余弦信号x(t), 用矩形窗函数w(t)与其相乘，得到截断信号: y(t) =x(t)w(t) 将截断信号谱 XT(ω)与原始信号谱X(ω)相比较可知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的连续谱. 原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。 由截断产生泄漏是必然的，因截断后的信号为无限带宽函数，即信号的频域能量分布被扩展了；截断引起泄漏，必然导致误差，不可避免。 减小泄漏：增大窗的宽度和选择好的窗函数 分析原因 主瓣泄漏与旁瓣泄漏 能量泄漏分主瓣泄漏和旁瓣泄漏，主瓣泄漏可以减小因栅栏效应带来的谱峰幅值估计误差，有其好的一面，而旁瓣泄漏则是完全有害的。 大主瓣的窗函数泄漏少,由截断带来的误差小 常用的窗函数 类型： 1.幂窗：如矩形、三角形、梯形等 2.三角函数窗 ：如汉宁窗、海明窗 3.指数窗：如高斯窗 1）矩形窗 特点:主瓣窄(分辨率高),旁瓣大(泄漏大) 应用:获得精确频谱主峰频率 属于时间变量的0幂次窗 2）三角窗（费杰feijer窗） 特点:主瓣宽(矩2倍),旁瓣小且无负