济南大学机械工程学院工程测试与信息处理课件 第六课.ppt

工程测试与信息处理 第五章 信号处理初步 本章学习要求： 1. 了解数字信号处理系统的组成 2. 了解信号数字化出现的问题 3. 掌握采样定理 4. 掌握相关分析方法 信号处理的目的 ： 1) 分离信、噪，提高信噪比； 2) 从信号中提取有用的特征信号； 3) 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。 测试工作的目的：是获取反映被测对象的状态和特征的信息。但是有用的信号总是和各种噪声混杂在一起的，有时本身也不明显，难以直接识别和利用。只有分离信、噪，并经过必要的处理和分析、清除和修正系统误差之后，才能比较准确地提取测得信号中所含的有用信息。 第五章 信号处理初步 模拟信号处理系统 数字信号处理系统 方法 模拟信号处理系统：由一系列能实现模拟运算的电路，诸如模拟滤波器、乘法器、微分放大器等环节组成。其中大部分环节在前行课程和前面几章中已有讨论。模拟信号处理也作为数字信号处理的前奏，例如滤波、限幅、隔直、解调等预处理。数字处理之后也常需作模拟显示、记录等。 数字信号处理系统：是用数字方法处理信号，它既可在通用计算机上借助程序来实现，也可以用专用信号处理机来完成。数字信号处理机具有稳定、灵活、快速、高效、应用范围广、设备体积小、重量轻等优点，在各行业中得到广泛的应用。 第五章 信号处理初步 第一节 数字信号处理的基本步骤 　 信号的预处理是把信号变成适于数字处理的形式，以减轻数字处理的困难。 预处理包括: 1)电压幅值调理，以便适宜于采样，总是希望电压峰-峰值足够大，以便充分利用AD转换器的精确度。 2)必要的滤波，以提高信噪比，并滤去信号中的高频噪声。 3)隔离信号中的直流分量 （如果所测信号中不应有直流分量）。 4)如原信号经过调制，则应先行解调。 预处理环节应根据测试对象、信号特点和数字处理设备的能力妥善安排。 模-数 (A/D)转换是模拟信号经采样、量化并转化为二进制的过程。 第五章 信号处理初步 物理信号 对象 传感器 放大等预处理 A / D 转换 数字信号 显示 D / A转换 控制 物理信号 模拟信号 计算机 模拟信号 模拟信号 数字信号处理的基本步骤 第二节 信号数字化出现的问题 　 1. 信号数字化处理过程 数字信号处理首先把一个连续变化的模拟信号转化为数字信号，然后由计算机处理，从中提取有关的信息。信号数字化过程包含着一系列步骤，每一步骤都可以引起信号和其蕴含信息的失真。现以计算一个模拟信号的频谱为例来说明有关的问题。 第五章 信号处理初步 信号数字化出现的问题 信号数字化出现的问题 2. 时域采样、混叠和采样定理 　 采样是将采样脉冲序列 p(t) 与信号 x(t) 相乘，取离散点 x(nTs) 的值的过程。 采样定理 　 X(0), X(1), X(2), ……, X(n) 采样定理 　 每周期应该有多少采样点 ？ 最少2点: 采样定理 　 采样定理 　 频域解释 采样定理 　 0 t 0 f 0 t 0 f t 0 0 f x(t) |X( f )| 采样定理 　 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 ＞ 2 fh 需注意，满足采样定理，只保证不发生频率混叠，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5倍。 采样定理 　 频率混叠： 　 Fs Fs Fs Fs 频混 正常 采样定理 　 A/D采样前的抗混叠滤波： 物理信号 对象 传感器 电信号 放大调理 电信号 A/D 转换 数字信号 展开 低通滤波(0~ Fs/2) 放大 采样定理 　 3. 量化与量化误差 　 采样―利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列 离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程。 编码―将经过量化的值变为二进制数字的过程。 量化―把采样信号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． A/D转换 量化与量化误差 　 信号的6等分量化过程 4位A/D: X X X X X(1) ? 0101 X(2) ? 0011 X(3) ? 0000 X(4) ? 0001 X(5) ? 0100 …… 1 2 3 4 5 6 7 8 量化与量化误差 　 模拟信号的输入范围为D — 动态工作范围 如，0 ~ 5V， ±5V， 0 ~ 10V， ± 10V等。 A/D转换器的位数是一定的。一个b位（又称数据字长）的二进