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1、声明本课件供虚拟仪器技术、自动测试技术等相关课程教师授课使用与参考. 教师可根据课程需要和实际情况在此课件基础上增删内容本课件版权属NI(中国)公司所有，供中国大陆地区高校教师无偿使用或在课程中引用，但使用或引用之前请联系NI(中国)公司高校市场部获得免费使用授权 (联系方式 )本课件不得用于公开出版或其他商业用途. 如需在公开出版物中引用其中部分内容, 请与NI(中国)公司高校市场部联系获得授权第五讲 基于LabVIEW的信号处理信号处理在各个行业的应用汽车：噪声定位机电：机器监测能源：管道监测信号处理 Signal Processing通讯：信道消噪生物：医电分析回顾: 一种典型的虚拟仪器
2、系统信号采集分析表达信号处理为什么需要信号处理 功率分析 频率测定 滤除多余成分 信号 处理 函数信号 处理 函数信号 处理 函数Vrms2 500 Hz完美的正弦曲线输入信号信号处理的系统流程预处理 信号分析数据采集参数测量域变换建模选择合适的信号处理算法交互显示信号预处理 信号预处理的目的 降噪、去直流、去漂移等 量纲、物理量转换 常用的信号预处理方法包括 移动平均 滤波 积分、微分 重采样 预处理参数测量域变换建模信号预处理降噪 信号噪声一般指信号中的高频次要部分 常用降噪方法 移动平均 低通滤波 小波降噪移动平均 移动平均是一种特定的低通滤波器，去除信号中的高频噪声 平均长度越长，截止
3、频率越低 低频幅度有一定的衰减移动平均对信号幅度的影响 低频幅度有一定的衰减，衰减程度随平均长度的增加而增大低通滤波器设计 使用滤波器设计Express VI设计低通滤波器，用于去除高频噪声 可灵活调整滤波器的频响，以去除高频噪声同时又尽可能保持低频成分的幅度滤波器Express VI 选择滤波器类型 低通 高通 带通 带阻 平滑 选择滤波器规范 截止频率 FIR或IIR 阶数 直观显示效果 便于调整参数 达到理想效果LabVIEW中的数字滤波器函数关于各种数字滤波器的特点和参数影响不是本课程关注的重点，可参考数字信号处理课程及相关参考书最简单的: 滤波器Express VI滤波器函数数字滤波
4、器设计工具包*软件滤波与硬件滤波 硬件滤波 在上一课中我们提到“滤波”是一类重要的信号调理手段 通过模拟电路直接对模拟信号进行处理，在数字化采样之前发生 软件滤波 这节课我们所讨论的内容 已经经过了采样和数字化，通过软件对数字信号进行处理 两者比较 软件滤波配置简单，几乎无成本，随时间无老化效应 硬件滤波不需要占用处理器资源 软件滤波可能在某些噪声条件下效果较差 两者可能同时使用降噪的挑战 宽频、时变、多尺度 移动平均和低通滤波不适用于宽频、时变、多尺度信号的降噪小波降噪 基于小波的降噪方法适合于宽频、时变、多尺度信号的降噪降噪方法比较移动平均低通小波去除成分高频高频有选择地去除高频幅频响应
5、类型低通滤波低通滤波低通并保留高频幅度较 大部分 （非线性）过渡带较长 (与平均长度有关)可控 (与滤波器设计有关)与小波类型有关低频衰减较大 (与平均长度有关)可控 (与滤波器设计有关)与小波类型有关优势简单易用性能可控非平稳信号效果好使用LabVIEW做信号预处理的优势 丰富的函数 滤波器设计、重采样、抽样、插值、去直流、曲线拟合、小波降噪、小波去趋势、时变滤波等等 LabVIEW交互式的环境便于完成需要反复试验(Trial and error)的预处理任务 图形化编程 VI前面板 调试探针 (Probe) Express VI参数测量 频率、周期与相位 直流分量、有效值(RMS) 脉冲参
6、数：占空比、超调比等 总谐波失真(THD)、SINAD 振动级、声压级 谐振频率、阻尼预处理参数测量域变换建模参数测量的应用 电声设备特性测量 音箱、耳机、麦克风、功放等 频响、THD等参数 土木与机械结构动态特性测量 谐振频率、阻尼 其他应用 汽车 生产线自动质量控制系统参数测量例1频谱测量可交互式地对参数进 行配置（如选择不同 的窗函数等）需要加窗的原因频谱泄漏实际信号采样之后进行频谱分析时需要考虑频谱泄漏的问题 没有以整数周期进行采样的信号生成高频不连续成分，从而导致频谱泄漏 频谱泄漏导致频率测量失真，因为不连续部分的高频能量会在频谱扩散不连续1个周期频谱泄漏整数周期 无泄漏非整数周期
7、泄漏加窗可减少频谱泄漏对频谱分析的影响加窗可加强信号部分，减弱其它部分加窗可以将不连续部分的幅值最小化减少频谱泄漏加窗对幅值和相位的效果、不同窗函数的影响效果等内容可参考数字信号处理课程或相关参考书参数测量例2FRF 一个函数完成一台传统频谱分析仪的主要功能 系统的激励和响应信号作为输入，直接输出系统的FRF 加窗、平均、H1、H2、H3等设置 直接在LabVIEW前面板显示频响函数参数测量例3正弦参数提取 传统方法 功率峰值法：精度受频谱泄漏和谱线密度影响 零点检测法：精度受噪声影响 LabVIEW中使用的三点法 专利技术 消除频谱泄漏影响 高精度DemoDemo使用LabVIEW做参数测量
8、的优势 LabVIEW的函数专门针对工业应用 函数功能强大，调用现成VI完成参数测量任务 隐藏底层算法，符合工业标准的设置方式 包含单位量纲，自动给出测量结果的量纲域变换 变换是信号处理的精髓 换个角度看问题 变换可能使得信号的隐藏特征显而易见 常用变换域 频域 尺度域 时频域 角度域预处理参数测量域变换建模信号按时频特征分类时间长时间持续的窄带信号短时窄带信号时变信号选择合适的变换域傅立叶变换小波变换联合时频角度(阶次)域tfLabVIEW变换函数的特点 功能全面 FFT、Hilbert变换、Hartley变换、Walsh Hadamard变换、联合时频率变换、小波变换 函数设计针对在线应用
9、 函数运算速度足够快 函数自动处理相邻信号块的衔接问题 例：Online Gabor Transform、Online Gabor ExpansionLabVIEW中时频分析的应用举例深海中虎鲸的叫声演示演示建模分析应用1. 系统识别 控制器设计 预测 状态监测应用2. 随机信号参数建模预处理参数测量域变换建模系统辨识工具包随机信号建模 自回归模型 (AR)确定部分 (用模型系数表示)随机部分(建模残差)AR建模应用实例 - 硬盘异音自动检测GoodPitchCrackZee在实际生产线上，可以通过AR建模残差的大小来检测故障在实际的信号处理应用中使用LabVIEW 与硬件无缝连接 易于获取真
10、实数据，随后直接进行信号处理 针对在线信号处理的函数接口设计 交互式地直接调试 可以根据实际测量数据实时尝试不同的信号处理算法效果，决定最终的算法 开发效率高 内置超过1,000种现成的信号处理函数，可直接调用 概率统计、微积分、曲线拟合插值、最优化等数学函数 频谱分析、小波、时频、滤波器设计、特征提取、多通道分析等 调制/解调等 也可以编写自定义的信号处理算法LabVIEW中的信号分析与处理常用函数信号处理函数选板数学选板数字滤波器设计*频谱测量*声音与振动*高级信号处理 (时频分析、小波分析等)*调制解调*结合硬件进行信号处理PCIPXIUSBWirelessCompactDAQ同一应用程
11、序 多种目标硬件无论你的数据来自于何种数据采集平台，LabVIEW数据采集和信号处理的程序是一样的ELVIS举例 基于myDAQ实现声音信号的采集和声强分析及阈值报警 采集音乐信号 设阈值并监控 根据警报值输出举例进一步实现在线音效处理（功率谱分析和滤波均衡）调用文本语言下的信号处理代码通过公式节点和MathScript节点可在LabVIEW中调用文本语言程序也可以通过调用DLL等方式连接文本语言的编译结果（可自学）通过MathScript节点调用Matlab代码LabVIEW中内置的文本数学语言，提供900多个数学、信号处理函数兼容m文件脚本语法和对矩阵的操作，可以重用m-script代码并
12、验证算法可与LabVIEW图形化编程结合，实现交互式的图形化用户界面快速的硬件实现与原型化通过MathScript节点调用Matlab代码参考资源LabVIEW“信号处理实验室”和“通信原理实验室”与信号与系统与数字信号处理经典教材图例配套的LabVIEW程序LabVIEW信号处理实际应用举例 波音777客机的起降噪声源定位应用波音公司使用LabVIEW实现超过 300通道振动信号的同步采样与分 析，分析飞机起降噪声来源，从 而对发动机外壳进行优化，降低 了客机起飞时的噪声，同时降低 油耗LabVIEW信号处理实际应用举例 鸟巢体育场结构健康监测应用基于LabVIEW与CompactRIO平台， 对2008北京奥运体育场进行连续 时间振动监测，包括结构模型验 证、监测突发事件等工作. . .Kinemetrics Seismic Sensors
