3.3数字移动信号分析与处理.ppt

* 3.3 数字信号分析与处理基础 随着计算机技术的发展，数字信号处理技术得到越来越广泛的应用。 模拟系统中很难解决的问题，在数字信号处理中可以很容易的得到 解决。在军事上，数字信号处理技术得到了非常广泛的应用。在机 械工程中数字信号处理的应用亦得到了迅速发展。如大型旋转机械 的检测与故障诊断系统，是将振动、声音、位移、温度等物理量， 通过传感器转换为电信号，输入计算机系统，对信号进行数据处理 与分析，得到一系列特征参数，从而实现对系统的实时状态监测， 并可进一步的进行故障诊断，找出振动与噪声源，提出对策，这对 于提高大型设备安全、可靠、安全运行等，是一种重要的科学手段。 除了在计算机上发展各种数字信号处理软件外，还发展了专用 的数字信号处理机（DSP)，其性能和功能都很强大。如对1024采样 点进行A/D转换，仅需4~5us,进行FFT运算仅需250ms.因此，数字信 号处理技术为科学技术的发展以及整个社会的技术进步起着重要的 推动作用。 数字信号处理是一门专用的技术，本节结合机械工程测试的实际 介绍信号采集及数字信号的频谱分析等相关内容。 3.3.1 数字信号处理的基本过程 信号预处理：幅值调理、滤波、隔离直流分量、解调等 A/D转换：采样、量化为数字量 数字信号处理器或计算机：信号分析与处理（数据截断、加窗、 奇异点剔除、趋势分离、数字滤波、时域分析、频域分析等） 结果显示：数据或图形显示、D/A、记录、打印等 图3.9 数字信号处理的基本过程框图 数字信号处理的基本过程如图3.9所示 3.3.2 时域采样和采样定理 采样：连续时间信号离散化的过程 采样时间间隔为Ts，或采样频率为 则x(t)经采样后的离散序列为x(n)。那么采样频率应该多大 才能使采样后的序列信号不丢失信息？这由采样定理给 出结论：若使采样后的信号不丢失原信号信息，则应有 ， 为原信号的最高频率。这就是采样定理。 下面以图3.10说明采样 定理 图3.10 采样信号的频混现象 在实际应用中，采样频率一般取被采样信号最高频率的3~4 倍，甚至十倍以上，以提高信号的分析精度。 无论采样频率多高，信号不可避免地出现 混叠 3.3.3 量化及量化误差 模拟信号在时域经抽样离散化，然后量化变为数字量。 抽样 量化 数字量 在量化过程中，要把离散的模拟量值转化为二进制数，由于 计算机字长的限制，必然会产生量化误差。 例如，模拟量幅值为10V，计算机寄存器的字长为8位，最大 存储数据为 ，则量化误差为 量化误差为小于 3.3.4 信号的截断、能量泄漏及窗 函数 计算机处理的数据长度是有限的，进行数字信号处理必须对过长时间历程的信号进行截断处理。截断相当于对信号进行加窗处理，截断即是将信号乘以时域的有限宽矩形窗函数： 即：采样后信号x(t)g(t)经截断成为x(t)g(t)w(t)。 1）信号的截断与能量 泄漏 矩形窗函数的频谱为无限带宽的sinc函数－即使x(t)为带限信号，经截断后必然成为无限带宽信号，这种信号的能量在频率轴分布扩展的现象称为泄漏。 ?? 用图形表示信号的截断、能量泄漏现象 泄漏 采用其它窗函数。一个好的窗函数应当：主瓣尽可能窄（提高频率分辨力）、旁瓣相对于主瓣尽可能小，且衰减快（减小泄漏）。 2）几种常用窗函数 （1） 矩形窗 减小泄漏的措施 。提高截断信号长度，即提高矩形窗宽度，此时sinc函数 主瓣变窄，旁瓣向主瓣密集，由于旁瓣衰减较快，故可 减小泄漏，但显然采样点数随之提高，增加计算负担。 （2）三角窗 W(f) 2 T w(t) 1 0 T/2 T/2 t T/2 0 2 T f *