測試技術(shù)數(shù)字信號分析與處理課件

工程測試技術(shù)12/21/20221工程測試技術(shù)12/20/20221第5章數(shù)字信號的分析與處理

5.1數(shù)字信號處理概述5.2數(shù)字信號處理的基本步驟5.3信號數(shù)字化中出現(xiàn)的問題數(shù)字信號的分析與處理12/21/20222第5章數(shù)字信號的分析與處理5.1數(shù)字信號處理概述數(shù)字信5.1數(shù)字信號處理概述

(1)數(shù)字信號處理的主要研究內(nèi)容

數(shù)字信號處理主要研究用數(shù)字序列來表示測試信號，并用數(shù)學(xué)公式和運算來對這些數(shù)字序列進(jìn)行處理。內(nèi)容包括數(shù)字波形分析、幅值分析、頻譜分析和數(shù)字濾波。0AtX(0)X(1)X(2)X(3)X(4)數(shù)字信號的分析與處理12/21/202235.1數(shù)字信號處理概述(1)數(shù)字信號處理的主要研究內(nèi)(2)測試信號數(shù)字化處理的基本步驟

物理信號對象傳感器電信號放大調(diào)制電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號計算機(jī)顯示D/A轉(zhuǎn)換電信號控制物理信號數(shù)字信號的分析與處理12/21/20224(2)測試信號數(shù)字化處理的基本步驟物理信號對象傳感器電信號(3)數(shù)字信號處理的優(yōu)勢

1)用數(shù)學(xué)計算和計算機(jī)顯示代替復(fù)雜的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)字信號的分析與處理12/21/20225(3)數(shù)字信號處理的優(yōu)勢1)用數(shù)學(xué)計算和計算機(jī)顯示代替復(fù)雜2)計算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展的有力推動a)多種多樣的工業(yè)用計算機(jī)。

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202262)計算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展的有力推動a)多種多樣的工業(yè)用計算機(jī)b)靈活、方便的計算機(jī)虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)數(shù)字信號的分析與處理12/21/20227b)靈活、方便的計算機(jī)虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)數(shù)字信號的分析與處理1案例：鐵路機(jī)車FSK信號檢測與分析京廣線計劃提速到200公里/小時合作任務(wù)：機(jī)車狀態(tài)信號識別(頻率解調(diào))虛擬儀器設(shè)計方案數(shù)字信號的分析與處理12/21/20228案例：鐵路機(jī)車FSK信號檢測與分析京廣線計劃提速到200公里5.2數(shù)字信號處理的基本步驟

預(yù)處理A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號處理器或計算機(jī)結(jié)果顯示解調(diào)電平轉(zhuǎn)換濾波采樣量化保持截斷分析計算數(shù)字濾波加權(quán)處理x(t)數(shù)字信號的分析與處理12/21/202295.2數(shù)字信號處理的基本步驟預(yù)處理A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號5.3.1采樣與混疊

采樣――利用采樣脈沖序列，從信號中抽取一系列離散值，使之成為離散信號的過程。保持5.3信號數(shù)字化中出現(xiàn)的問題

(1)采樣

數(shù)字信號的分析與處理12/21/2022105.3.1采樣與混疊采樣――利用采樣脈沖序列，從信號中抽(2)采樣過程的圖解法描述

將采樣函數(shù)p(t)與信號x(t)相乘0x(t)t0p(t)t×取離散點x(0),x(1)……x(n)tn00x(t).p(t)

x(n)數(shù)字信號的分析與處理12/21/202211(2)采樣過程的圖解法描述將采樣函數(shù)p(t)與信號xa.采樣函數(shù)的引入－－脈沖函數(shù)與周期脈沖序列函數(shù)

Tst0Tst0利用脈沖函數(shù)的采樣特性數(shù)字信號的分析與處理12/21/202212a.采樣函數(shù)的引入－－脈沖函數(shù)與周期脈沖序列函數(shù)Tsb.脈沖函數(shù)的采樣特性與卷積特性

利用脈沖函數(shù)的采樣特性：摘取利用脈沖函數(shù)的卷積特性：搬移0tx(t)Ts0時域脈沖函數(shù)t0fX(f)Fs0頻域脈沖函數(shù)f0fX(f)Fs相乘卷積x(Ts)0tx(t)·Ts數(shù)字信號的分析與處理12/21/202213b.脈沖函數(shù)的采樣特性與卷積特性利用脈沖函數(shù)的采樣特性：c.采樣中出現(xiàn)的問題－－混疊

0t0fx(t)X(f)Ts10t0fx(t)×p1(t)

X(f)*P1(f)

-1/Ts11/Ts10fX(f)*P2(f)

-1/Ts21/Ts2t0Ts2x(t))×p2(t)數(shù)字信號的分析與處理12/21/202214c.采樣中出現(xiàn)的問題－－混疊0t0fx(t)X(f)Td.混疊的時域分析

`數(shù)字信號的分析與處理12/21/202215d.混疊的時域分析`數(shù)字信號的分析與處理12/20/2e.混疊的頻域分析-FsFsFs/2工程處理混疊發(fā)生處：頻率Fs/2附近FmaxFs-Fs頻混Fmaxfff數(shù)字信號的分析與處理12/21/202216e.混疊的頻域分析-FsFsFs/2工程處理混疊發(fā)生處：f.正確采樣的方法：步驟１采樣前的抗混疊濾波

物理信號對象傳感器電信號放大調(diào)制電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號展開低通濾波(0～Fs/2)放大數(shù)字信號的分析與處理12/21/202217f.正確采樣的方法：步驟１采樣前的抗混疊濾波物理信號對

為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。Fs＞2FmaxFsFsf0FmaxFs/2-Fs/2f.正確采樣的方法：步驟２滿足采樣定理

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202218為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。Fs＞3~5Fmax或Ts＜0.2~0.3FmaxTmaxTstx(t)0f.正確采樣的方法：步驟３考慮工程實際要求

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202219工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。

用計算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時，不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和運算，而是取其有限的時間片段進(jìn)行分析，這個過程稱信號截斷。5.3.2截斷與泄漏

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202220用計算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時，不可能對無限長的（1）用于截斷的窗函數(shù)

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202221（1）用于截斷的窗函數(shù)數(shù)字信號的分析與處理12/20/2

（2）截斷過程的圖解表示法

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202222（2）截斷過程的圖解表示法數(shù)字信號的分析與處理12/（3）泄漏的產(chǎn)生

設(shè)有余弦信號x(t),用矩形窗函數(shù)w(t)與其相乘，得到截斷信號:y(t)=x(t)w(t)

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202223（3）泄漏的產(chǎn)生設(shè)有余弦信號x(t),用矩形能量泄漏實驗：

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202224能量泄漏實驗：數(shù)字信號的分析與處理12/20/20222實際應(yīng)用中，由于信號截斷的原因，產(chǎn)生了能量泄漏，即使信號頻率與頻譜離散取樣點不相等，也能得到該頻率分量的一個近似值。（4）泄漏的抑制數(shù)字信號的分析與處理12/21/202225實際應(yīng)用中，由于信號截斷的原因，產(chǎn)生了能量泄漏，即使

能量泄漏分主瓣泄漏和旁瓣泄漏，主瓣泄漏會帶來信號頻域中譜峰幅值估計誤差，造成頻率分辨率降低，而旁瓣泄漏則可以造成信號嚴(yán)重失真。數(shù)字信號的分析與處理12/21/202226能量泄漏分主瓣泄漏和旁瓣泄漏，主瓣泄漏會帶來信號頻（5）常用的窗函數(shù)

1）矩形窗

特點：主瓣較窄，旁瓣較高頻率分辨率較好，抑制泄漏較差

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202227（5）常用的窗函數(shù)1）矩形窗特點：主瓣較窄，旁瓣較高2）三角窗

特點：主瓣較寬，旁瓣無負(fù)值頻率分辨率較低，抑制泄漏較好

數(shù)字信號的分析與處理12/21/2022282）三角窗特點：主瓣較寬，旁瓣無負(fù)值頻率分辨率較低，抑制泄3）漢寧窗特點：主瓣最寬，旁瓣最低頻率分辨率低，抑制泄漏好

數(shù)字信號的分析與處理12/21/2022293）漢寧窗特點：主瓣最寬，旁瓣最低數(shù)字信號的分析與處理12/常用窗函數(shù)一覽表數(shù)字信號的分析與處理12/21/202230常用窗函數(shù)一覽表數(shù)字信號的分析與處理12/20/202230工程測試技術(shù)12/21/202231工程測試技術(shù)12/20/20221第5章數(shù)字信號的分析與處理

5.1數(shù)字信號處理概述5.2數(shù)字信號處理的基本步驟5.3信號數(shù)字化中出現(xiàn)的問題數(shù)字信號的分析與處理12/21/202232第5章數(shù)字信號的分析與處理5.1數(shù)字信號處理概述數(shù)字信5.1數(shù)字信號處理概述

(1)數(shù)字信號處理的主要研究內(nèi)容

數(shù)字信號處理主要研究用數(shù)字序列來表示測試信號，并用數(shù)學(xué)公式和運算來對這些數(shù)字序列進(jìn)行處理。內(nèi)容包括數(shù)字波形分析、幅值分析、頻譜分析和數(shù)字濾波。0AtX(0)X(1)X(2)X(3)X(4)數(shù)字信號的分析與處理12/21/2022335.1數(shù)字信號處理概述(1)數(shù)字信號處理的主要研究內(nèi)(2)測試信號數(shù)字化處理的基本步驟

物理信號對象傳感器電信號放大調(diào)制電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號計算機(jī)顯示D/A轉(zhuǎn)換電信號控制物理信號數(shù)字信號的分析與處理12/21/202234(2)測試信號數(shù)字化處理的基本步驟物理信號對象傳感器電信號(3)數(shù)字信號處理的優(yōu)勢

1)用數(shù)學(xué)計算和計算機(jī)顯示代替復(fù)雜的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)字信號的分析與處理12/21/202235(3)數(shù)字信號處理的優(yōu)勢1)用數(shù)學(xué)計算和計算機(jī)顯示代替復(fù)雜2)計算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展的有力推動a)多種多樣的工業(yè)用計算機(jī)。

數(shù)字信號的分析與處理12/21/2022362)計算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展的有力推動a)多種多樣的工業(yè)用計算機(jī)b)靈活、方便的計算機(jī)虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)數(shù)字信號的分析與處理12/21/202237b)靈活、方便的計算機(jī)虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)數(shù)字信號的分析與處理1案例：鐵路機(jī)車FSK信號檢測與分析京廣線計劃提速到200公里/小時合作任務(wù)：機(jī)車狀態(tài)信號識別(頻率解調(diào))虛擬儀器設(shè)計方案數(shù)字信號的分析與處理12/21/202238案例：鐵路機(jī)車FSK信號檢測與分析京廣線計劃提速到200公里5.2數(shù)字信號處理的基本步驟

預(yù)處理A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號處理器或計算機(jī)結(jié)果顯示解調(diào)電平轉(zhuǎn)換濾波采樣量化保持截斷分析計算數(shù)字濾波加權(quán)處理x(t)數(shù)字信號的分析與處理12/21/2022395.2數(shù)字信號處理的基本步驟預(yù)處理A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號5.3.1采樣與混疊

采樣――利用采樣脈沖序列，從信號中抽取一系列離散值，使之成為離散信號的過程。保持5.3信號數(shù)字化中出現(xiàn)的問題

(1)采樣

數(shù)字信號的分析與處理12/21/2022405.3.1采樣與混疊采樣――利用采樣脈沖序列，從信號中抽(2)采樣過程的圖解法描述

將采樣函數(shù)p(t)與信號x(t)相乘0x(t)t0p(t)t×取離散點x(0),x(1)……x(n)tn00x(t).p(t)

x(n)數(shù)字信號的分析與處理12/21/202241(2)采樣過程的圖解法描述將采樣函數(shù)p(t)與信號xa.采樣函數(shù)的引入－－脈沖函數(shù)與周期脈沖序列函數(shù)

Tst0Tst0利用脈沖函數(shù)的采樣特性數(shù)字信號的分析與處理12/21/202242a.采樣函數(shù)的引入－－脈沖函數(shù)與周期脈沖序列函數(shù)Tsb.脈沖函數(shù)的采樣特性與卷積特性

利用脈沖函數(shù)的采樣特性：摘取利用脈沖函數(shù)的卷積特性：搬移0tx(t)Ts0時域脈沖函數(shù)t0fX(f)Fs0頻域脈沖函數(shù)f0fX(f)Fs相乘卷積x(Ts)0tx(t)·Ts數(shù)字信號的分析與處理12/21/202243b.脈沖函數(shù)的采樣特性與卷積特性利用脈沖函數(shù)的采樣特性：c.采樣中出現(xiàn)的問題－－混疊

0t0fx(t)X(f)Ts10t0fx(t)×p1(t)

X(f)*P1(f)

-1/Ts11/Ts10fX(f)*P2(f)

-1/Ts21/Ts2t0Ts2x(t))×p2(t)數(shù)字信號的分析與處理12/21/202244c.采樣中出現(xiàn)的問題－－混疊0t0fx(t)X(f)Td.混疊的時域分析

`數(shù)字信號的分析與處理12/21/202245d.混疊的時域分析`數(shù)字信號的分析與處理12/20/2e.混疊的頻域分析-FsFsFs/2工程處理混疊發(fā)生處：頻率Fs/2附近FmaxFs-Fs頻混Fmaxfff數(shù)字信號的分析與處理12/21/202246e.混疊的頻域分析-FsFsFs/2工程處理混疊發(fā)生處：f.正確采樣的方法：步驟１采樣前的抗混疊濾波

物理信號對象傳感器電信號放大調(diào)制電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號展開低通濾波(0～Fs/2)放大數(shù)字信號的分析與處理12/21/202247f.正確采樣的方法：步驟１采樣前的抗混疊濾波物理信號對

為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。Fs＞2FmaxFsFsf0FmaxFs/2-Fs/2f.正確采樣的方法：步驟２滿足采樣定理

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202248為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。Fs＞3~5Fmax或Ts＜0.2~0.3FmaxTmaxTstx(t)0f.正確采樣的方法：步驟３考慮工程實際要求

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202249工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。

用計算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時，不可能對無限長的信號進(jìn)行測量和運算，而是取其有限的時間片段進(jìn)行分析，這個過程稱信號截斷。5.3.2截斷與泄漏

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202250用計算機(jī)進(jìn)行測試信號處理時，不可能對無限長的（1）用于截斷的窗函數(shù)

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202251（1）用于截斷的窗函數(shù)數(shù)字信號的分析與處理12/20/2

（2）截斷過程的圖解表示法

數(shù)字信號的分析與處理12/21/202252（2）截斷過程的圖解表示法數(shù)字信號的分析與處理12/（3）泄漏的產(chǎn)生

設(shè)有余弦信號x(t),用矩形窗函數(shù)w(t)與其相乘，得到截斷信號:y(t)=x(t)w(t)