《LabVIEW虚拟仪器设计教程 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 何玉钧 高会生 等 第9章 信号分析与处理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LabVIEW虚拟仪器设计教程 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 何玉钧 高会生 等 第9章 信号分析与处理（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第9章 信号分析与处理,9.1 信号发生 9.2 波形调理和波形测量 9.3 信号时域与频域分析 9.4 滤波器 9.5 窗函数 9.6 逐点分析,9.1 信号发生,信号发生是信号处理的重要功能之一，常用来产生测试系统的激励测试信号和模拟测试信号。LabVIEW中产生信号的方法有两种：波形生成和信号生成。从信号发生的角度考虑，二者几乎没有区别。但从生成的数据特点考虑，首先，波形生成产生的是波形数据，信号生成产生的是一维数组数据；其次，波形生成产生的横坐标是时间单位的索引，信号生成产生的横坐标是数组数据的索引。,9.1.1 波形生成,波形生成子选板,波形生成VI功能说明,波形生成VI功能说明（续
2、）,波形生成VI应用示例,1基本函数发生器,该VI可以由指定的信号类型，生成正弦波、三角波、方波和锯齿波四种波形信号。,通过前面板的参数设置选项，可以选定输出信号的类型并设置输出信号的频率、幅值、相位等信息。运行该实例，当“重置信号”设为“关”时，则时间会一直变化，频率不是整数时，相位也会一直变化。当“重置信号”设为“开”时，则每次循环时间标识不变，相位也不变。,2公式波形,该函数通过公式字符串指定要使用的时间函数，创建输出波形，通过该函数可以输出任何可用函数描述的波形。,该示例通过公式sin(w*t)*sin(2*pi(1)*t)生成了一个调幅波。调制信号为幅值1V、频率1Hz的正弦信号si
3、n(2*pi(1)*t)。载波信号同为正弦信号sin(w*t)，其频率、幅度等信息通过前面板参数进行设置。,3基本混合单频,该VI生成整数个周期的单频正弦信号的叠加波形。所生成的波形的频谱为在特定频率处是脉冲而在其它非频率处为0。,波形幅值限制为2V，起始频率10Hz，单频个数4个，delta频率10Hz，相位关系random。运行该实例，其生成波形将显示在波形图中，同时基本混合单频VI的实际单频信号频率输出为10Hz、20Hz、30Hz、40Hz，这和起始频率10Hz，单频个数4个，delta频率10Hz的设置完全相吻合。,4均匀白噪声波形,该VI生成均匀分布的伪随机波形，幅度值可指定。,产
4、生的均匀白噪声波形的频率成分由采样频率决定，其最高频率成分等于采样频率的一半。因此，若想生成频率覆盖05kHz的均匀白噪声，采样频率必须设为10kHz。,5仿真信号,仿真信号是一个简单、易用的Express VI，通过该VI可以产生任意频率、幅值和相位的正弦波、方波、三角波、锯齿波及直流信号，同时还可以给信号添加噪声，是一个非常实用的信号发生器。,属性配置对话框 可以选择信号的类型、幅值、频率、相位，可以给信号添加白噪声、高斯噪声等9种不同的噪声，并对噪声的参数进行设定，可以设置采样信息等参数。设置相关参数后，在结果预览中可以对生成的波形进行预览。参数可以通过对话框配置，同时有些参数也可以通过
5、VI的接线端进行配置。,9.1.2 信号生成,信号生成VI功能,信号生成VI功能（续）,信号类型：设定生成信号的类型，包括：正弦信号、余弦信号、三角波信号、方波信号锯齿波信号、上升斜波信号、下降斜波信号。 持续时间：设置输出信号的持续时间，单位为秒，默认值为1.0。 采样点数：输出信号中采样点的数目，默认为100。 频率：输出信号的频率，单位为Hz，默认值为10。 幅值：输出信号的幅度，默认值为1.0。 直流偏移量：为输出信号的直流偏移量，默认为0。 相位输入：输出信号的初始相位，默认为0，单位为度。,“基于持续时间的信号发生器”VI与波形生成选板中的“基本函数发生器”VI功能类似。,基于持续
6、时间的信号发生器,信号生成VI应用示例,利用基于持续时间的信号发生器产生的信号波形不包含时间信息，其横轴索引是数据个数，不是时间。,9.2 波形调理和波形测量,波形调理是对原始信号进行时域或频域的预处理，其目的是尽量减少干扰信号的影响，提高信号的信噪比，波形调理会直接影响到信号分析的结果，因此一般来说它是信号分析前需要的必要步骤。 波形测量实现信号某些特定信息的提取，如交流信号的平均直流-均方根测量、周期平均值测量、幅度谱/相位谱测量等。,9.2.1 波形调理,波形调理子选板,常用的波形调理有滤波、对齐、重采样等。波形调理VI位于函数选板的“信号处理”“波形调理”子选板中。,1数字FIR滤波器
7、,波形调理VI应用示例,“数字FIR滤波器”VI能够实现对单个波形或多个波形中的信号进行滤波。如对多个波形进行滤波，VI将对各个波形保留单独的滤波器状态。,2触发与门限,“触发与门限”是一个Express VI，该VI通过触发提取信号中的片段，触发器根据开始触发和停止触发条件设置决定触发开启触发停止。,9.2.2 波形测量,波形测量主要实现波形的交流直流分析、幅度测量、脉冲测量、傅立叶变换、功率谱测量等波形信息参数的测量功能。“波形测量”VI位于函数选板的“信号处理”“波形测量”子选板中。,波形测量子选板,波形测量VI应用示例,1基本平均直流-均方根,“基本平均直流-均方根”VI计算输入波形或
8、波形数组的直流值和均方根值（即有效值）。,2频谱测量,“频谱测量”是一个Express VI，可以实现基于FFT的频谱测量，如信号的平均幅度频谱、功率谱、相位谱。,9.3 信号时域与频域分析,9.3.1 信号的时域分析,信号时域分析VI位于函数选板的“信号处理”“信号运算”子选板，能够实现信号的卷积、相关、归一化等运算功能。,信号运算子选板,信号运算VI应用示例,1自相关,自相关函数的一个重要应用是检验信号中是否含有周期成分。如果信号中含有周期成分，则自相关函数衰减很慢且具有明显的周期性。,2卷积,“卷积”VI的功能是计算输入序列X和Y的卷积。,9.3.2 信号的频域分析,信号的频域分析是信号
9、处理中最常用、最重要的分析方法。LabVIEW中频域分析VI在两个子选板中，一个是函数选板中“信号处理”“变换”子选板，主要实现信号的傅里叶变换、希尔伯特变换、小波变换等；另一个是函数选板中“信号处理”“谱分析”子选板，主要实现对信号的频率分析、联合时域分析等。,频域分析VI应用示例,5非平均采样信号频谱,功率谱是通过傅里叶变换得到的，而傅里叶变换的一个基本要求就是数据在时间轴上必须是等间距的。在实际应用中，采样数据并不一定能满足这个条件。一种办法是通过选择合适的插值方法使数据变得均匀。另外一种有效的方法是通过Lomb归一化周期图算法，这种算法可以直接处理原始数据而无需关心数据采样间隔是否均匀
10、。非平均采样信号频谱VI就是将该算法封装起来，从而极大地方便用户对非均匀采样数据测处理。,9.4 滤波器,滤波器的功能是让处于通带频率范围内的信号通过，而阻止阻带频率范围内的信号通过，从而实现对信号进行筛选。根据信号的类型，滤波器分为模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器其输入和输出都是连续的，而数字滤波器的输入和输出都是离散时间信号。由于LabVIEW程序内部所处理的信号都是离散数字信号，故仅讨论数字滤波器的LabVIEW实现 。,根据冲激响应，可以将滤波器分为有限冲激响应（FIR）滤波器和无限冲激响应（IIR）滤波器。对于FIR滤波器，冲激响应在有限时间内衰减为零，其输出仅取决于当前和过去的输
11、入信号值；对于IIR滤波器，冲激响应在理论上会无限持续，输出取决于当前及过去的输入信号值和过去的输出值。在实际应用中，应根据实际情况选择合适的滤波器。,LabVIEW提供了多种滤波器VI和用来设计滤波器的VI，它们位于函数选板的“信号处理”“滤波器”子选板中。,滤波器子选板,在滤波器子选板提供的各种VI中，其中IIR滤波器类型有Butterworth滤波器、Chebyshev滤波器、反Chebyshev滤波器、椭圆滤波器和贝塞尔滤波器；FIR滤波器有基于乘窗设计的FIR加窗滤波器和基于Parks-McClellan算法的等波纹带通、等波纹带阻、等波纹高通、等波纹低通滤波器等。同时还提供高级II
12、R和高级FIR滤波器子选板，用于实现滤波器的设计。,滤波器VI应用示例,9.5 窗函数,在利用计算机实现工程测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析。 具体做法：从信号中截取一个时间片段，然后用这个信号时间片段进行周期延拓处理，得到虚拟的无限长的信号，然后对信号进行傅里叶变换、相关分析等数学处理。问题：无限长的信号被截断以后，其延拓信号周期与周期之间信号是不连续的，其频谱将发生畸变，原来集中在某一频率处的能量被分散到两个较宽的频带中去了（这种现象称之为频谱能量泄漏）。 解决方法：在不可能得到无限长信号的情况下，解决频谱能量泄漏的方法就是加窗。频谱能量泄
13、漏大小取决于周期延拓时信号突变的幅度，跳跃月到，泄漏越大。加窗就是将原始采样波形乘以幅度变化平滑且边缘趋零的有限长度的窗来减小每个周期边界处的突变。,LabVIEW提供了多种窗函数来实现对有限采样数据的加窗处理，这些窗函数位于函数选板的“信号处理”“窗”子选板中。,窗子选板,1信号加窗前后频谱对比实例,窗函数应用示例,2利用窗函数分辨小幅值信号,9.6 逐点分析,在数字信号处理中，传统的基于缓冲和数组的数据分析过程是先将采集得到的数据放在缓冲区或数组中，待数据量达到一定的要求时，才将这些数据进行一次性分析处理。由于采集和构建这些有一定要求的数据需要时间，因此这种分析方法难以实现高速实时分析。 为了实现数据采集与分析，LabVIEW提供的逐点分析VI。逐点VI在数据分析时针对每一个采集的数据点都可以立即进行分析，数据可以实现实时处理。使用逐点分析能够跟踪和处理实时事件，实现与信号的同步，减少数据丢失的可能性，同时程序设计也更加容易。由于无须构建数组，所以对采样速率要求更低。,逐点子选板,逐点VI应用示例,
