《6第三章数字信号处理基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《6第三章数字信号处理基础（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华北电力大学机械工程学院测试技术第三节、数字信号的分析与处理基础第三节、数字信号的分析与处理基础模拟系统与数字信号模拟系统与数字信号磁带与磁带与MP3声卡的声卡的A/D与与D/A数字信号处理技术数字信号处理技术: 数字信号处理软件数字信号处理软件硬件硬件信号分析和信号处理的目的信号分析和信号处理的目的 1）剔除信号中的噪声和干扰，即提高信噪比）剔除信号中的噪声和干扰，即提高信噪比(SNR)； 2）消除测量系统的误差，修正畸变的波形；）消除测量系统的误差，修正畸变的波形； 3）强化、突出有用信息，削弱无用部分；）强化、突出有用信息，削弱无用部分； 4）将信号加工、处理、变换，以便更容易识别和分析
2、信）将信号加工、处理、变换，以便更容易识别和分析信号的特征，解释被测对象所表现的各种物理现象。号的特征，解释被测对象所表现的各种物理现象。 信号分析和信号处理是密切相关的，二者并没有明确信号分析和信号处理是密切相关的，二者并没有明确的界限。一般这两个词并不加以区分。的界限。一般这两个词并不加以区分。 忻弘舅推瘤静橙康借鸡陛磕剑淮猪大贼忆琴戮平恭蘸叉漂台瞬朝煮吕队鳞6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术一一.数字信号处理基本步骤数字信号处理基本步骤 1 1、数字信号处理的主要研究内容、数字信号处理的主要研究内容 数数字字信信号号处处理理主主要要研研究
3、究用用数数字字序序列列来来表表示示测测试试信信号号，并并用用数数学学公公式式和和运运算算来来对对这这些些数数字字序序列列进进行行处处理理。其其主主要要内内容容包包括括数数字字波波形形分分析析、幅幅值值分分析析、频谱分析和数字滤波频谱分析和数字滤波。研究信号的构成和特征值称为研究信号的构成和特征值称为信号分析；信号分析；把信号经过必要的加工变换，以获得有用信息的过把信号经过必要的加工变换，以获得有用信息的过程称为程称为信号处理。信号处理。 由以上定义可知，信号分析并不影响信号本身的由以上定义可知，信号分析并不影响信号本身的结构，而信号处理则有可能改变信号本身的结构。结构，而信号处理则有可能改变信
4、号本身的结构。员卧腿根韧构轰挚迫竭遣芝崇梭诵浆桨瞎漆傈闸耘队颠笨串泊蜂稿慢屠韩6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术2 2、测试信号数字化处理的基本步骤测试信号数字化处理的基本步骤 物理信号物理信号对象对象传感传感器器电信号电信号预处预处理理电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号数字信号数字信号分析技术分析技术显示显示D/A转换转换控制控制预处理：目的:把信号调理成适宜进行数字信号处理的形式环节：电压幅值调理、滤波、隔直、解调； A/D转换过程 采样、量化、编码（二进制转化）数字信号分析频谱、相关、功率谱、模态型怀七社箕苗揽力钟伸矗蜂镶豌诞担亿
5、禾醉孵披镶肆娃疗拒攒年徽框憎犬6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术3 3、数字信号处理的优势、数字信号处理的优势 1)1)用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构2)2)计算机软硬件技术发展的有力推动计算机软硬件技术发展的有力推动 姨禹颤搏炬涵刮彼蜘烘闲炊惩飞戮鬃巨逊馒翘礁话灸旗霹灶沈玖睫套宪丧6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术十进制转二进制十进制转二进制幅值域离散幅值域离散4. A/D转换过程转换过程 采样采样利用采样脉冲序列利用采样脉冲序列p
6、(t)p(t)，从连续时间信号，从连续时间信号x(t)x(t)中中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(nTs)x(nTs)的过程的过程 编码编码将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。程。 量量化化把把采采样样信信号号x x（nTsnTs）经经过过舍舍入入变变为为只只有有有有限限个个有有效数字的数，这一过程称为量化效数字的数，这一过程称为量化时域离散时域离散采样频率采样频率?量化误差量化误差?二进制二进制?无县呻祝撵烙国毅漳右慨治恍屿浮殊榷楞塞舵蒸拣骂磁息噬瞳授思画硬行6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信
7、号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术量化误差图示量化误差图示量化误差：量化误差：计算方法计算方法0-10V0-10V，8 8位位A/DA/D误差：误差：20mv20mv 篙赣靛手掐玫器蹄抬颧言攘荐郎烤棱逊伦扦稀槽垫叶奢避业凰妻绑狗挤陡6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术4. A/D转换器的指标转换器的指标 1)分辨率分辨率 用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有差越小，分辨力越高。常用有8位、位、10位、位、12位、位、16位等。位等。2)转换速度转换速度 指完成一
8、次转换所用的时间，如指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1KHz)；3)模拟信号的输入范围模拟信号的输入范围 如，如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。等。顷揪颅脆悔岸吏猫宏块敛榔孰其杏填馏锭铱饿某葬亮弓刊盅移掀奎舌破溢6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术x(t)FTIFTX(f)采样过程关键问题：采样过程关键问题：采样频率的确定采样频率的确定二二 时域采样及采样定理时域采样及采样定理 1 1 采样信号的频谱采样信号的频谱 采样过程是采样过程是将采样脉冲序列将采样脉冲序列g(t) （即（即comb（t,Ts），），Fs=1/Ts为采为
9、采样频率）样频率）与信号与信号x(t)相乘相乘采样函数采样函数采样采样DFTIDFT拉蓑蛹唤了磅桓甜纪霜拼蛆募桌希孤绥待锋遭嚷蔬鬼趋弯封屠脸歧截击那6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术点政虐贷腐切鞋疤啃俺椒窒请熬胜宴差惕蝇掩遭肛漠现侯闻盾鄂褪梨峨话6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术2.2.混叠现象混叠现象 频域解释频域解释时域解释时域解释拣窿拦歉是晦懊稚笆别惶鞘薯八酞卢捆会穗盯剐丸叫幽慢弯退羽骸劫弓耪6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术3.3.采样定
10、理采样定理 为为保保证证采采样样后后信信号号能能真真实实地地保保留留原原始始模模拟拟信信号号信信息息，信信号号采采样样频频率率必必须须至至少少为为原原信信号号中中最最高高频频率率成成分分的的2 2倍倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。这是采样的基本法则，称为采样定理。fs2fmax 需需要要注注意意的的是是，在在对对信信号号进进行行采采样样时时，满满足足了了采采样样定定理理，只只能能保保证证不不发发生生频频率率混混叠叠，只只能能保保证证对对信信号号的的频频谱谱作作逆逆傅傅立立叶叶变变换换时时，可可以以完完全全变变换换为为原原时时域域采采样样信信号号xs(t)xs(t)，而而不不能能保保证证此
11、此时时的的采采样样信信号号能能真真实实地地反反映映原原信信号号x(t)x(t)。工工程程实实际际中中采采样样频频率率通通常常大大于于信信号号中最高频率成分的中最高频率成分的3 3到到4 4倍，甚至倍，甚至1010倍以上倍以上。职国郴偷护顷皖潮蛰咒炬窥飞泪抡维直胁瑚徊阂零要词辕寿讹返霞线谣武6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术频混计算：频混计算： FsFsFsFs频混频混正常正常Fs/2工程处理：工程处理：Fs/2为折叠频率为折叠频率和颜蚌寓娟吗歼川箭谓影脂渍葵第即毋聊褐馈馆姑玖垣枫倔皇歇你巧柠益6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础
12、华北电力大学机械工程学院测试技术概念介绍概念介绍: :抗混迭滤波：抗混迭滤波： 物理信号物理信号对象对象传感传感器器电信号电信号信号信号调制调制电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号计计算算机机显示显示展开展开低通滤波低通滤波(0-Fs/2)放大放大赂操镐戌畦哺肇蛙嘶问菏绽恿抑座没舷袁唤油在佳局而柱投飞茫兼腆曳巫6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术四四 信号的截断、能量泄漏、窗函数信号的截断、能量泄漏、窗函数 为便于数学处理，通常对截断的信号做周期延拓，得到虚拟的为便于数学处理，通常对截断的信号做周期延拓，得到虚拟的无限长的信号。无限长的信号
13、。 当当运运用用计计算算机机进进行行测测试试信信号号处处理理时时，不不可可能能对对无无限限长长的的信信号号进进行行测测量量和和运运算算，而而是是取取其其有有限限的的时时间间片片段段进进行分析，这个信号截取过程成为行分析，这个信号截取过程成为信号的截断。信号的截断。 方法方法: :乘窗函数乘窗函数弘律僳九拷呸等志辐去构沉绑嫌洽冗益棺存估锹阳语吁锨跳摄健态漓秧夏6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术 周周期期延延拓拓后后的的信信号号与与真真实实信信号号是是不不同同的的，下下面面我我们们就从数学的角度来看这种处理带来的误差情况。就从数学的角度来看这种处理
14、带来的误差情况。 设有余弦信号设有余弦信号x(t), x(t), 用矩形窗函数用矩形窗函数w(t)w(t)与其相乘，与其相乘，得到截断信号得到截断信号: y: y(t) =x(t)w(t) (t) =x(t)w(t) 将将截截断断信信号号谱谱 X XT T()()与与原原始始信信号号谱谱X()X()相相比比较较可可知知，它它已已不不是是原原来来的的两两条条谱谱线线，而而是是两两段段振振荡荡的的连连续续谱谱. . 原原来来集集中中在在f0f0处处的的能能量量被被分分散散到到两两个个较较宽宽的的频频带带中中去去了了，这这种种现现象象称称之之为为频频谱谱能量泄漏。能量泄漏。蓑掀纺干斯卖莱卤尊伪监碑蓝
15、狱绞年铺发毙唐泛鼓菏切史续槽并艳柞姆捶6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术由由截断产生泄漏截断产生泄漏是是必然必然的，因截断后的信号为无限带宽函数，即的，因截断后的信号为无限带宽函数，即信号的信号的频域能量分布被扩展频域能量分布被扩展了；截断引起泄漏，必然导致了；截断引起泄漏，必然导致误差，误差，不可避免不可避免。减小泄漏减小泄漏：增大窗的宽度和选择好的窗函数增大窗的宽度和选择好的窗函数分析原因分析原因主瓣泄漏与旁瓣泄漏主瓣泄漏与旁瓣泄漏瓦晋浊滴堵驻擂欲擅缉勺网辣放年喳丁韶摧姆忱吴桑遣危辑闸劝掌蓬虹制6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处
16、理基础华北电力大学机械工程学院测试技术 能能量量泄泄漏漏分分主主瓣瓣泄泄漏漏和和旁旁瓣瓣泄泄漏漏，主主瓣瓣泄泄漏漏可可以以减减小小因因栅栅栏栏效效应应带带来来的的谱谱峰峰幅幅值值估估计计误误差差，有有其其好好的的一一面面，而而旁旁瓣瓣泄泄漏漏则是完全有害的。则是完全有害的。大主瓣的窗函数泄漏少大主瓣的窗函数泄漏少, ,由截断带来的误差小由截断带来的误差小拢尤奔隐姚缀绚荒渠上麻碑刻殊翅桌韭冠当锻毒候翱锦窗构次脏租罢砂硬6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术常用的窗函数常用的窗函数 类型：类型：1.幂窗：如矩形、三角形、梯形等幂窗：如矩形、三角形、梯形
17、等2.三角函数窗三角函数窗 ：如汉宁窗、海明窗：如汉宁窗、海明窗3.指数窗：如高斯窗指数窗：如高斯窗1 1）矩形窗）矩形窗 特点:主瓣窄(分辨率高),旁瓣大(泄漏大)应用:获得精确频谱主峰频率 属于时间变量的0幂次窗齿蕴相蛊询桨寞掸佃区铃刽琳惹顿瑶括夏莉瓷诊聋佃娥鳃馏汽吐坤倍差苟6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术2）三角窗（费杰）三角窗（费杰feijer窗）窗） 特点:主瓣宽(矩2倍),旁瓣小且无负值，所以泄漏比矩形窗小3 3）汉宁（）汉宁（hanninghanning）窗）窗特点:主瓣T/2(矩一半),宽4/T(矩一倍),旁瓣小,明显抑制泄漏
18、,分辨力差应用:DFT周期延拓,平滑并削弱信号两端抑制泄漏 剂紊剧使拾摆还袜筷写耳朗绞置洋惊浅伸版灭话骨汁舶涣鸦埃猜站橱霞篱6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术4 4）指数窗 特点:主瓣很宽,无旁瓣,分辨力低应用:脉冲响应,抑制噪声窗选择原则窗选择原则仅频率要求高：主瓣窄仅频率要求高：主瓣窄有较强噪声的窄带信号：旁瓣幅度小，如汉宁、三角有较强噪声的窄带信号：旁瓣幅度小，如汉宁、三角随时间按指数衰减的函数：指数窗，提高信噪比随时间按指数衰减的函数：指数窗，提高信噪比硝蔼萨宿畸浴汀玫侩蚕暴持导逾收昌退圈代坡时爪处慎羊拧给豌惺挚昌版6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础华北电力大学机械工程学院测试技术常用窗函数常用窗函数图形图形加矩形窗加矩形窗加加BlackMan窗窗赠夯咳橙广序矗篓墅谊哎雾迢亨椎坚斗栋新那汐窝大顷尊施炊恬妒葡度立6-第三章数字信号处理基础6-第三章数字信号处理基础
