测试技术第六章 信号的初步处理.ppt

第6章信号处理初步 6.1数字信号处理的基本步骤 6.2信号数字化出现的问题 6.3相关分析及其应用 6.4功率谱分析及其应用 6.1 测试技术的重要性 数字信号处理的基本步骤如图 1.信号的预处理 （1）电压幅值调理，以便适宜于采样。 （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）原信号经过调制，则应先行解调。 2.模一数（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。 3.数字信号处理器或计算机对离散的时间序列进行运算处理。 4.运算结果可以直接显示或打印。如果后接D/A和记录仪则可以绘图等。如有需要可将数字信号处理结果送入后接计算机或通过专门程序再做后续处理。 1.2信号数字化出现的问题 数字信号处理首先把一个连续变化的模拟信号转化成数字信号，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，每一步骤都可能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。 1.概述 模拟信号的傅里叶变换为了利用数字计算机来计算，必须使变换成有限长的离散时间序列。为此，必须对 信号进行采样和截断。 采样就是用一个等时距的周期脉冲序列是s(t)也称采样函数 去乘信号x(t). 由于计算机只能进行有限长序列的运算，所以必须从采样后信号的时间序列截取有限长的一段来计算，其余部分视为零而不予考虑。 处理过程中的每一个步骤：采样、截断、DFT计算都会引起失真或误差，必须充分注意。好在工程上不仅关心有无误差，而更重要的是了解误差的具体数值，以及是否能以经济、有效的手段提取足够精确的信息。只要概念清楚，处理得当，就可以利用计算机有效地处理测试信号，完成在模拟信号处理技术中难以完成的工作。 (1)时域采样 是把连续时间信号变成离散时间序列的过程。这一过程相当于在连续时间信号上“摘取”许多离散时刻上的信号瞬时值。在数学处理上，可看作以等时距的单位脉冲序列（称其为采样信号）去乘连续时间信号，各采样点上的瞬时值就变成脉冲序列的强度。以后这些强度值将被量化而成为相应的数值。 2.时域采样、混叠和采样定理 (2)混叠 用过大的采样间隔民对两个不同频率的正弦波采样的结果，得到一组相同的采样值，无法辨识两者的差别，将其中的高频信号误认为某种相应的低频信号，出现了所谓的混叠现象。 为此，对不满足此要求的信号，在采样之前，使其先通过模拟低通滤波器滤去高频成分，使其成为带限信号，为满足下面要求创造条件。这种处理称为抗混叠。 (3)采样定理 为了避免混叠以使采样处理后仍有可能准确地恢复其原信号，采样频率 fs必须大于最高频率 fh的两倍，这就是采样定理。 3.量化和量化误差 （1）量化 采样所得的离散信号的电压幅值，若用二进制数码组来表示，就使离散信号变成数字信号。这一过程称为量化。量化是从一组有限个离散电平中取一个来近似代表采样点的信号实际幅值电平。这些离散电平称为量化电平，每个量化电平对应一个二进制数码。 （2）量化误差 当离散信号采样值x（n）的电平落在两个相邻量化电平之间时，就要舍入到相近的一个量化电平上。该量化电平与信号实际电平之间的差值称为量化误差 ε（n） 。 4.截断、泄漏和窗函数 截断就是将信号乘以时域的有限宽矩形窗函数。“窗”的意思是指透过窗口能够“看见”“外景”（信号的一部分）。对时窗以外的信号，视其为零。 在截断后也必然成为无限带宽的信号，这种信号的能量在频率轴分布扩展的现象称为泄漏。同时，由于截断后信号带宽变为无限宽，因此无论采样频率多高，信号总是不可避免地出现混叠，故信号截断必然导致一些误差。 一般信号记录，常以某时刻作为起点截取一段信号，这实际上就是采用单边时窗 5.频域采样、时域周期延拓和栅栏效应 经过时域采样和截断后，其频谱在频域是连续的。如果要用数字描述频谱，这就意味着首先必须使频率离散化，实行频域采样。 频域结果是将时域信号平移至各脉冲坐标位置重新构图，从而相当于在时域中将窗内的信号波形在窗外进行周期延拓。 对一函数实行采样，实质上就是“摘取”采样点上对应的函数值。其效果有如透过栅栏的缝隙观看外景一样，只有落在缝隙前的少数景象被看到，其余景象都被栅栏挡住，视为零。这种现象被称为栅栏效应。 6.频率分辨力、整周期截断 频率采样间隔 ?f也是频率分辨力的指标。 对周期信号实行整周期截断是获得准确频谱的先决条件。从概念来说，DFT的效果相当于将时窗内信号向外周期延拓。若事先按整周期截断信号，则延拓后的信号将和原信号完全重合，无任何畸变。反之，延拓后将在交接处出现间断点，波形和频谱都