数字信号处理基础.pptx
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 物理信号对象传感器电信号预处理电信号A/D转换数字信号数字信号分析技术显示D/A转换控制预处理：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、模态第1页/共20页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 第2页/共20页十进制转二进制幅值域离散4.A/D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(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采样频率?量化误差?二进制?第3页/共20页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 第4页/共20页4.A/D转换器的指标 1)分辨率 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8位、10位、12位、16位等。2)转换速度 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 如，5V，+/-5V，10V，+/-10V等。第5页/共20页x(t)FTIFTX(f)采样过程关键问题：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 采样过程是将采样脉冲序列g(t)（即comb（t,Ts），Fs=1/Ts为采样频率）与信号x(t)相乘采样函数采样DFTIDFT第6页/共20页第7页/共20页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第8页/共20页3.3.采样定理采样定理 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少为原信号中最高频率成分的至少为原信号中最高频率成分的2 2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。倍。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。第9页/共20页频混计算：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为折叠频率第10页/共20页概念介绍概念介绍:抗混迭滤波：抗混迭滤波：物理信号对象传感器电信号信号调制电信号A/D转换数字信号计算机显示展开低通滤波(0-Fs/2)放大第11页/共20页四四 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。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行分分析析，这这个个信信号号截截取取过过程程成成为为信信号号的截断。的截断。方法方法:乘窗函数乘窗函数第12页/共20页 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就从从数数学学的的角角度度来来看这种处理带来的误差情况。看这种处理带来的误差情况。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，得到截断信号与其相乘，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。第13页/共20页由截断产生泄漏是必然的，因截断后的信号为无限带宽函数，即信号的频域能量分布被扩展了；截断引起泄漏，必然导致误差，不可避免。减小泄漏：增大窗的宽度和选择好的窗函数分析原因主瓣泄漏与旁瓣泄漏第14页/共20页 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估计误差，有其好的一面，而旁瓣泄漏则是完全有害的。值估计误差，有其好的一面，而旁瓣泄漏则是完全有害的。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第15页/共20页常用的窗函数常用的窗函数 类型：1.幂窗：如矩形、三角形、梯形等2.三角函数窗：如汉宁窗、海明窗3.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幂次窗第16页/共20页2）三角窗（费杰feijer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,分辨力差应用:DFT周期延拓,平滑并削弱信号两端抑制泄漏 第17页/共20页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、三角随时间按指数衰减的函数：指数窗，提高信噪比第18页/共20页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窗窗第19页/共20页感谢您的观看。第20页/共20页
