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1、青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备第十一章 信号分析设备 信号分析设备识别测试信号中持性参数的设备。 种类类 1）按用途分 作专项分析用的计数器、频谱分析仪、相关分析 仪、概率密度分析仪，传递函数分析仪等，作多项综合分析用的信号处理机 和数字信号处理系统。2）按原理和结构 有模拟式、数字式和模、数混合式.第一节节 频谱频谱 分析仪仪一、频谱分析仪的工作原理 实现时-频转换的方法是唯一的吗？不是！ 本章内容 介绍频谱分析仪和数字信号处理系统的工作原理、结构和用 途；进一步说明信号分析理论在工程实际中的具体实现方法及典型应用情况.答：不是！对一种信号可采用不同的数学处理变换方法来实现时-频
2、转换， 因此频谱分析仪的工作原理、结构有多种不同的形式。 由自相关函数经傅里叶变换得到【例】 时时域信号功率谱谱密度函数 用周期图法求得 用模拟分析方法近似求得 青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备单边功率谱密度函数定义为自相关函数Rx()的傅里叶变换的两倍，即 1、由自相关函数经傅里叶变换得到根据式（679），随机信号序列x(n)的功率谱密度函数为2、用周期图法求得 3、用模拟分析方法近似求得设样本记录x(t)，通过中心频率为f，带宽为Be的滤波器后，输出为x(t, f, Be) 。当T为平均时间时，有：则则用以上三种方法求取的功率谱密度函数，若x(t)为无限长的样本记录，则结 果等价
3、。在有限的样本记录情况下，若等效带宽Be相同，则结果是可比的。青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备基础：用适当的模拟式滤波器选出所需的频率分量。 数字式频谱分析仪是以数字滤波器或FFT为基础。模拟式频谱分桥仪是以模拟滤波器为基础的。二、模拟拟式频谱频谱 分析 仪仪 如何改变变中心频频率？ 1、顺序滤波法对于上述第一、二种变换可用数字式频谱分析仪，通过FFT来实现。第三种 变换多用模拟式频谱分析仪来实现。可见，实现时-频转换的数字处理变换方 法，决定了频谱分析仪的工作原理。数字式频谱分析仪的分辨力在超低频段 可达到mHz级，高频段为几十赫，比模拟式的分辨力高。选出某一频率 的交流信号经检波
4、器进行平方、 平均和除法运算 正比于该频率分量 幅度的直流信号 中心频率 可调/可变 原理：一组滤波器的中心频率都 是固定的，并依次增大；滤波器的输出 信号通过开关K顺序地接入检波器，然 后经输出放大器送至显示器。青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备通常将这一组滤波器的中心频率采用1/3倍频程中心频率。因此整个音频段 (20Hz20000Hz)需要30个1/3倍频程滤波器。各滤波器的B/f0=(1.26f1- f1)/(1.26f12)1/20.23。这种频谱分析仪的分析频率可以设计为对数制度的。 示波管显示 若用示波管作显示器，放大 器的输出信号应加到示波管的垂直偏转板上，而 示波管的
5、水平偏转板应加上与开关K同步的阶梯 波电压。此时示波管屏幕上显示的频谱图如图。 特点 因开关K在滤波器之后，故换接速度 不受滤波器的过渡持性的限制。由于各滤波器是 依次接到显示器，故不能进行实时频谱分析。 补充知识倍频程频率比为2n的两个频率之间的频段称为n个倍频程, n=1为1倍频程，如频率从2Hz到4Hz称1倍频程；n=3为3倍频程如频率从2Hz到 16Hz称3个倍频程；n=1/3为1/3倍频程，此时，f2/f1=21/31.26，f1和f2分别为频 段的下限和上限频率。 【例】频段1：中心频率f0=20Hz,由(f1f2)1/2=f0，f2/f1=1.26，得f117.82Hz，f222
6、.45频段2： f122.45Hz，由f2/f1=1.26，得f228.29Hz，f0=25.2Hz。频段3： f128.29Hz，由f2/f1=1.26，得f235.63Hz，f0=31.75Hz。依此类推，可得各频段中心频率和上下限频率。整个声波波段f21.2630f11026f1.青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备原理：中心频率在一定额率范围内扫描。图中利用锯齿波电压调制中心频率 ，使其沿频率轴扫描。特点：非实时滤波法。受中心频率调节范围限制，只适用于窄带频谱分析， 且调节速度不能过快，以免滤波器过渡特性对分析结果产生严重影响。什么是外差法？原理：通过逻辑电路和电子开关高速地 、
7、依次地、反复地将各个通道和显示器瞬 时接通，显示出每一个通道的输出量。特点：能进行实时频谱分析，但不适于 窄带分析，因需要的滤波器数量太多。2、并行滤波法3、扫描滤波法4、外差法已知信号频率输入信号频率 外差法：由fe，fx获得频率 为fefx的两个信号的方法青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备外差式频谱仪原理：1）输入信号与频率为fe的本机振荡信号在混频器中进 行差频，只有当差频信号的频率落入中频放大器的带宽内时，即fe-fx=fi(fi是中 频放大器的中心频率)，中频放大器才有输出，且输出信号的大小正比于频率 为fx的输入信号的幅度。2）若连续调节fe，则输入信号中的各个频率分量将依
8、 次落人中频放大器的带宽内。3）中频放大器的输出信号经检波、放大后加至 显示器的垂直信道。调节本机振荡频率的扫描信号同时加到显示器的水平信道 。这样，在显示器上得到输入信号的幅值频谱图。特点：1）是一种顺序分析法，不能获得实时频谱。2）由于在分析过程中， 中频放大器中的滤波器中心频率和带宽是不变动的，因此外差式频谱分析仪在 一次分析过程中的绝对带宽是恒定不变的。这意味着它更适于线性频率刻度。 3）因为输入信号中的各个频率分量是依次送到中频放大器，所以中频放大器 中的滤波器的过渡特性限制了本机振荡频率的扫描速度。青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备什么是时间压缩？以速度v记录 信号，然后以
9、速度nv(n为正整数) 重放进行频率分析。重放时间被“ 压缩”为原来的1/n；原信号中频 率为f的分量，重放时频率为nf。原理：由时间压缩和外差式频谱分析两部分组成，整体上看是一种混合使用 模拟技术和数字技术的频谱分析仪。输入信号经抗频混滤波器，把高于频谱仪 分析上限频率或设定的限制频率的分量滤去；然后以抗频混滤波器上限截止频 率的三倍作为采样频率，将抗频混滤波器的输出信号数字化，并存入存贮器； 接着以比存入速度快得多(快数百倍到数十万倍)的速度取出数据，用数-模转 换器把这些数据复原为模拟信号；最后送到频谱分析仪进行分析。特点：1）可大大节省分析时间，而不影响分析时的频率分辨能力。一般将 所
10、研究的频率域分成5001000个窄带，并在极短的时间内完成所有频带的分 析，因此这种方式可作实时分析。2）在分析过程中舍弃了相位信息，并只能 分析一个输入信号的信息，无法完成两个输入信号的互相关系的分析。5、时间压缩法低速存入高速送出总结：以上几种模拟式频谱分析方法，外差式频谱分析仪具有简单、灵活、 频率范围宽、频率分辨力高和灵敏度高等优点，因此应用较广泛。 青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备1、数字滤波法2、快速傅里叶分析法特点：可做成多通道，不仅可以同时分析多个信号的频谱，而且可测量各 个信号之间的相互关系，如相关函数、互谱等，故应用更广泛。三、数字式频谱频谱 分析 仪仪1、数字滤
11、波法2、快速傅里叶分析法数字滤波器的中心频率由控 制时基电路使之顺序改变 数据采集系统按一定算法将数字量转换 为被测信号的频谱青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备第二节节 数字信号处处理系统统的构成及分类类基本构成：通用或专用的数字计算机一定的外围设备。数字信号处理系统一般由图示的几部分组成，各个部分分别是一台或多台 设备。信号处理机则是把这几部分集合为一体之中，具有进行大批量信号 样本记录的专项或多项处理功能。1、信号预处理数字处理之 前，对信号 用模拟方法 进行的处理基本特点：运算速度快，实时能力强，运算功能多，分辨力高，操作方便等一、数字信号处理系统的组成x(t)信号 预处理显示
12、记录信号 采集分析 计算（1）解调器 对远距传来的调制信号进行解调。 （3） 抗频混滤波器 衰减不感兴趣的高频成分，减小频混。（2） 输入放大器(或衰减器) 使输入信号的幅值与A/D转换器 的动态范围相适应。（4）隔直电路 隔离被分析信号中的直流分量，用于对信号作消 除趋势项及直流分量的干扰处理。青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备 2、信号采集将预处理 后的模拟 信号变为 数字信号（1）采样保持器 为A/D转换期间，保持输入信号不变而设置。 （3）触发系统 决定采样开始点。有了它才有可能捕捉到瞬时的脉 冲输入信号或将采下的信号进行同步相加。（2）时基信号发生器 产生定时间间隔脉冲信号，
13、控制采样。（4）控制器 对多通道数据采集进行控制。控制A/D工作状态。 3、分析计算CRT屏幕显示，打印结果数据或图形，绘图机绘出相应曲线图等；也可将 分析计算结果转存到磁盘，供进一步分析用。分析计算的方法：软件、硬件或软硬结合。工程测试中信号的分析计算的主要内容：时域中：概率统计、相关分析、 建模和识别；频域中：频谱分析、功率谱分析、传递函数分析等。 4、显示记录二、数字信号处理系统的分类与典型结构按数字信号处理部分的形式分为两大类：一类是专用的信号处理机；另一 类是以通用的微计算机为主的信号处理系统。青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备 专用信号处理机常用的三种控制方式：1) 用软件
14、控制 由软件程序进行分析计算。特点：理论上功能不受限制， 但程序多为厂家专利，受限制。适于重复处理大量实验数据。2) 用硬件控制 直接用硬件组合成信号处理机。特点：处理速度较快，但 功能比较单一，只能做几种分析计算。3) 软-硬结合控制 特点：功能全，速度快，既可用专用程序控制，又可 自编程序控制，使用方便，但操作复杂，价格昂贵。 以通用微计算机为主，配上一 些外部设备所组成的信号处理系统既可作信号处理，又可做一般性 的科学计算，利用率较高。对信号 分析计算程序可以自行编写，处理 功能不受限制，但处理速度较慢。 应用较广泛。信号处理机的结构框图通用微机信号处理系统框图青岛大学机电工程学院第十一
15、章 信号分析设备 三、部分信号分析设备的技术性能（仅有很小参考价值）青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备 第三节节 数字信号处处理系统统中的主要部件一、输入放大器(或衰减器)二、抗频混滤波器1）放大倍数应与后续电路的动态工作范围匹配，避免溢出；2）放大倍数( 衰减百分数)有程控或手动方式；3）输入放大器上往往设有DC和AC选择档。 当分析的信号是交-直流分量的叠加时，若感兴趣的只是交变信号，这时就可 用AC档来消除直流分量或趋势项，AC档成为隔直电路。这样，AC档实际上 具有高通滤波特性。使用时应注意其响应问题。4）有的输入放大器还可改变 输入信号的极性，使用时可依需要调整。抗频混滤波器
16、：采样之前用模拟滤波器来衰减不感兴趣的高频分量，然后确 定适当的采样频率，满足采样定理。1）低通滤波器能衰减高频分量，可对时域分析时的信号作平滑处理。2）抗频混滤波器的截止频率一般都是多档可选的，依信号特性选用。3）多采用Butter worth和Besse1低通滤波。前者幅频特性曲线平坦，相频特 性尚好，但过渡带特性较差。后者相频特性好，幅频特性不很理想。也可用椭 圆滤波器(Cauer滤波器)，其衰减特性很好，但电路较复杂，难度大.4）评价指标: 一般用滤波器的选择性，每倍频程衰减多少分贝（dB/oct)来 表示。较好的抗频混滤波器选择性可达-80dB/oct以上。青岛大学机电工程学院第十一章 信号分析设备 三、A/D转换器四、信号处理芯片主要技术参数：分辨率、相对精度、输入电压、转换时间、输入电阻、供电 电压等。分辨率：是指转换微小输入量变化的敏感程度，用数字量的位数来表 示，如8位、10位、12位等。对于n位的转换器，
