L5基于LabVIEW的信號處理

1、聲明本課件供虛擬儀器技術、自動測試技術等相關課程教師授課使用與參考. 教師可根據(jù)課程需要和實際情況在此課件基礎上增刪內(nèi)容本課件版權屬NI(中國)公司所有，供中國大陸地區(qū)高校教師無償使用或在課程中引用，但使用或引用之前請聯(lián)系NI(中國)公司高校市場部獲得免費使用授權 (聯(lián)系方式 )本課件不得用于公開出版或其他商業(yè)用途. 如需在公開出版物中引用其中部分內(nèi)容, 請與NI(中國)公司高校市場部聯(lián)系獲得授權第五講基于LabVIEW的信號處理信號處理在各個行業(yè)的應用汽車：噪聲定位機電：機器監(jiān)測能源：管道監(jiān)測信號處理Signal Processing通訊：信道消噪生物：醫(yī)電分析回顧: 一種典型的虛擬儀器系統(tǒng)

2、信號采集分析表達信號處理為什么需要信號處理 功率分析 頻率測定 濾除多余成分 信號 處理 函數(shù)信號 處理 函數(shù)信號 處理 函數(shù)Vrms2 500 Hz完美的正弦曲線輸入信號信號處理的系統(tǒng)流程預處理 信號分析數(shù)據(jù)采集參數(shù)測量域變換建模選擇合適的信號處理算法交互顯示信號預處理 信號預處理的目的 降噪、去直流、去漂移等 量綱、物理量轉換 常用的信號預處理方法包括 移動平均 濾波 積分、微分 重采樣 預處理參數(shù)測量域變換建模信號預處理降噪 信號噪聲一般指信號中的高頻次要部分 常用降噪方法 移動平均 低通濾波 小波降噪移動平均 移動平均是一種特定的低通濾波器，去除信號中的高頻噪聲 平均長度越長，截止頻率

3、越低 低頻幅度有一定的衰減移動平均對信號幅度的影響 低頻幅度有一定的衰減，衰減程度隨平均長度的增加而增大低通濾波器設計 使用濾波器設計Express VI設計低通濾波器，用于去除高頻噪聲 可靈活調(diào)整濾波器的頻響，以去除高頻噪聲同時又盡可能保持低頻成分的幅度濾波器Express VI 選擇濾波器類型 低通 高通 帶通 帶阻 平滑 選擇濾波器規(guī)范 截止頻率 FIR或IIR 階數(shù) 直觀顯示效果 便于調(diào)整參數(shù)達到理想效果LabVIEW中的數(shù)字濾波器函數(shù)關于各種數(shù)字濾波器的特點和參數(shù)影響不是本課程關注的重點，可參考數(shù)字信號處理課程及相關參考書最簡單的: 濾波器Express VI濾波器函數(shù)數(shù)字濾波器設計

4、工具包*軟件濾波與硬件濾波 硬件濾波 在上一課中我們提到“濾波”是一類重要的信號調(diào)理手段 通過模擬電路直接對模擬信號進行處理，在數(shù)字化采樣之前發(fā)生 軟件濾波 這節(jié)課我們所討論的內(nèi)容 已經(jīng)經(jīng)過了采樣和數(shù)字化，通過軟件對數(shù)字信號進行處理 兩者比較 軟件濾波配置簡單，幾乎無成本，隨時間無老化效應 硬件濾波不需要占用處理器資源 軟件濾波可能在某些噪聲條件下效果較差 兩者可能同時使用降噪的挑戰(zhàn) 寬頻、時變、多尺度 移動平均和低通濾波不適用于寬頻、時變、多尺度信號的降噪小波降噪 基于小波的降噪方法適合于寬頻、時變、多尺度信號的降噪降噪方法比較移動平均低通小波去除成分高頻高頻有選擇地去除高頻幅頻響應類型低通

5、濾波低通濾波低通并保留高頻幅度較大部分（非線性）過渡帶較長(與平均長度有關)可控(與濾波器設計有關)與小波類型有關低頻衰減較大(與平均長度有關)可控(與濾波器設計有關)與小波類型有關優(yōu)勢簡單易用性能可控非平穩(wěn)信號效果好使用LabVIEW做信號預處理的優(yōu)勢 豐富的函數(shù) 濾波器設計、重采樣、抽樣、插值、去直流、曲線擬合、小波降噪、小波去趨勢、時變?yōu)V波等等 LabVIEW交互式的環(huán)境便于完成需要反復試驗(Trial and error)的預處理任務 圖形化編程 VI前面板 調(diào)試探針 (Probe) Express VI參數(shù)測量 頻率、周期與相位 直流分量、有效值(RMS) 脈沖參數(shù)：占空比、超調(diào)比等

6、 總諧波失真(THD)、SINAD 振動級、聲壓級 諧振頻率、阻尼預處理參數(shù)測量域變換建模參數(shù)測量的應用 電聲設備特性測量 音箱、耳機、麥克風、功放等 頻響、THD等參數(shù) 土木與機械結構動態(tài)特性測量 諧振頻率、阻尼 其他應用 汽車 生產(chǎn)線自動質量控制系統(tǒng)參數(shù)測量例1頻譜測量可交互式地對參數(shù)進行配置（如選擇不同的窗函數(shù)等）需要加窗的原因頻譜泄漏實際信號采樣之后進行頻譜分析時需要考慮頻譜泄漏的問題 沒有以整數(shù)周期進行采樣的信號生成高頻不連續(xù)成分，從而導致頻譜泄漏 頻譜泄漏導致頻率測量失真，因為不連續(xù)部分的高頻能量會在頻譜擴散不連續(xù)1個周期頻譜泄漏整數(shù)周期 無泄漏非整數(shù)周期 泄漏加窗可減少頻譜泄漏對

7、頻譜分析的影響加窗可加強信號部分，減弱其它部分加窗可以將不連續(xù)部分的幅值最小化減少頻譜泄漏加窗對幅值和相位的效果、不同窗函數(shù)的影響效果等內(nèi)容可參考數(shù)字信號處理課程或相關參考書參數(shù)測量例2FRF 一個函數(shù)完成一臺傳統(tǒng)頻譜分析儀的主要功能 系統(tǒng)的激勵和響應信號作為輸入，直接輸出系統(tǒng)的FRF 加窗、平均、H1、H2、H3等設置 直接在LabVIEW前面板顯示頻響函數(shù)參數(shù)測量例3正弦參數(shù)提取 傳統(tǒng)方法 功率峰值法：精度受頻譜泄漏和譜線密度影響 零點檢測法：精度受噪聲影響 LabVIEW中使用的三點法 專利技術 消除頻譜泄漏影響 高精度使用LabVIEW做參數(shù)測量的優(yōu)勢 LabVIEW的函數(shù)專門針對工業(yè)

8、應用 函數(shù)功能強大，調(diào)用現(xiàn)成VI完成參數(shù)測量任務 隱藏底層算法，符合工業(yè)標準的設置方式 包含單位量綱，自動給出測量結果的量綱域變換 變換是信號處理的精髓 換個角度看問題 變換可能使得信號的隱藏特征顯而易見 常用變換域 頻域 尺度域 時頻域 角度域預處理參數(shù)測量域變換建模信號按時頻特征分類頻率時間短時寬帶信號長時間持續(xù)的窄帶信號短時窄帶信號時變信號選擇合適的變換域傅立葉變換小波變換聯(lián)合時頻角度(階次)域tfLabVIEW變換函數(shù)的特點 功能全面 FFT、Hilbert變換、Hartley變換、Walsh Hadamard變換、聯(lián)合時頻率變換、小波變換 函數(shù)設計針對在線應用 函數(shù)運算速度足夠快 函

9、數(shù)自動處理相鄰信號塊的銜接問題 例：Online Gabor Transform、Online Gabor ExpansionLabVIEW中時頻分析的應用舉例深海中虎鯨的叫聲建模分析應用1. 系統(tǒng)識別 控制器設計 預測 狀態(tài)監(jiān)測應用2. 隨機信號參數(shù)建模預處理參數(shù)測量域變換建模系統(tǒng)辨識工具包隨機信號建模 自回歸模型 (AR)Mkkneknyany1)( )()(確定部分(用模型系數(shù)表示)隨機部分 (建模殘差)(ne)(ny)(zHAR建模應用實例 - 硬盤異音自動檢測GoodPitchCrackZee在實際生產(chǎn)線上，可以通過AR建模殘差的大小來檢測故障在實際的信號處理應用中使用LabVIEW

10、 與硬件無縫連接 易于獲取真實數(shù)據(jù)，隨后直接進行信號處理 針對在線信號處理的函數(shù)接口設計 交互式地直接調(diào)試 可以根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)實時嘗試不同的信號處理算法效果，決定最終的算法 開發(fā)效率高 內(nèi)置超過1,000種現(xiàn)成的信號處理函數(shù)，可直接調(diào)用 概率統(tǒng)計、微積分、曲線擬合插值、最優(yōu)化等數(shù)學函數(shù) 頻譜分析、小波、時頻、濾波器設計、特征提取、多通道分析等 調(diào)制/解調(diào)等 也可以編寫自定義的信號處理算法LabVIEW中的信號分析與處理常用函數(shù)信號處理函數(shù)選板數(shù)學選板數(shù)字濾波器設計*頻譜測量*聲音與振動*高級信號處理(時頻分析、小波分析等)*調(diào)制解調(diào)*結合硬件進行信號處理PCIPXIUSBWirelessCo

11、mpactDAQ同一應用程序 多種目標硬件無論你的數(shù)據(jù)來自于何種數(shù)據(jù)采集平臺，LabVIEW數(shù)據(jù)采集和信號處理的程序是一樣的ELVIS舉例 基于myDAQ實現(xiàn)聲音信號的采集和聲強分析及閾值報警 采集音樂信號 設閾值并監(jiān)控 根據(jù)警報值輸出舉例進一步實現(xiàn)在線音效處理（功率譜分析和濾波均衡）調(diào)用文本語言下的信號處理代碼通過公式節(jié)點和MathScript節(jié)點可在LabVIEW中調(diào)用文本語言程序也可以通過調(diào)用DLL等方式連接文本語言的編譯結果（可自學）通過MathScript節(jié)點調(diào)用Matlab代碼LabVIEW中內(nèi)置的文本數(shù)學語言，提供900多個數(shù)學、信號處理函數(shù)兼容m文件腳本語法和對矩陣的操作，可以重用m-script代碼并驗證算法可與LabVIEW圖形化編程結合，實現(xiàn)交互式的圖形化用戶界面快速的硬件實現(xiàn)與原型化通過MathScript節(jié)點調(diào)用Matlab代碼參考資源LabVIEW“信號處理實驗室”和“通信原理實驗室”與信號與系統(tǒng)與數(shù)字信號處理經(jīng)典教材圖例配套的LabVIEW程序LabVIEW信號處理實際應用舉例 波音777客機的起降噪聲源定位應用波音公司使用LabVIEW實現(xiàn)超過300通道振動信號的