【教学课件】第2章测试信号的时域分析与处理.ppt
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1、南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系第2章 测试信号的时域分析与处理教学目标教学目标 了解信号的时域特征了解信号的时域特征 掌握确定性信号的建模方法掌握确定性信号的建模方法 掌握随机信号的建模方法掌握随机信号的建模方法 了解信号的数值微积分运算方法了解信号的数值微积分运算方法2.1 2.1 信号时域特征的获取方法信号时域特征的获取方法2.2 2.2 信号与数据的插值方法及实现信号与数据的插值方法及实现2.3 2.3 信号与数据的拟合方法及实现信号与数据的拟合方法及实现2.4 2.4 数值微分和数值积分及实现数值微分和数值积分及实现2.5 2.5 时域信号的平滑与建模方法
2、及实现时域信号的平滑与建模方法及实现2.6 MATLAB2.6 MATLAB在时域分析与处理中的应用在时域分析与处理中的应用1/9/20231/9/20231 1南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系信号时间特征:上升沿、下降沿:突变位置、时延峰值:极值、上冲/下冲;二阶系统峰值比 阻尼拐点:特征点过零点:脉冲反射计峰高宽比、半高峰宽度:峰型导函数、高阶导数:一阶、高阶频率分量不动点、不变矩:克服背景变化、优化、特征提取、上包络、下包络:信号最大值、背景波动光滑性、增量表达:与函数导数有关(增量调制表达)周期性:频率波动性:纹波系数短时平均幅度:(中值/均值滤波)1/9/
3、20231/9/20232 2南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系2.1 信号时域特征的获取方法信号时域特征的获取方法 2.1.1 2.1.1 采样信号的主要特点采样信号的主要特点采样信号的主要特点采样信号的主要特点量化量化用数字量表示模拟量是有误差的用数字量表示模拟量是有误差的量化误差量化误差量化误差的大小与量化的粗细及量化误差的大小与量化的粗细及具体测试点的位置有关,而与实具体测试点的位置有关,而与实现量化的具体装置没有直接关系现量化的具体装置没有直接关系最大量化误差与分辨率直接关联最大量化误差与分辨率直接关联最大量化误差最大量化误差1/9/20231/9/2023
4、3 3南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系2.1 信号时域特征的获取方法信号时域特征的获取方法2.1.1 2.1.1 采样信号的主要特点采样信号的主要特点采样信号的主要特点采样信号的主要特点被测试信号是随机的被测试信号是随机的量化误差是随机的量化误差是随机的最大量化误差最大量化误差设被测模拟量设被测模拟量 各测试点出现的概率均匀各测试点出现的概率均匀分布,即概率分布,即概率 为常数。量化系统采用为常数。量化系统采用 偏置措施,其量化误差的变化范围为:偏置措施,其量化误差的变化范围为:根据随机变量均值的定义有:根据随机变量均值的定义有:1/9/20231/9/20234
5、4南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系2.1 信号时域特征的获取方法信号时域特征的获取方法2.1.1 2.1.1 采样信号的主要特点采样信号的主要特点采样信号的主要特点采样信号的主要特点以正弦信号为例计算该信号被采样和数字化而产生的信噪比以正弦信号为例计算该信号被采样和数字化而产生的信噪比SNR1/9/20231/9/20235 5南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系2.1 信号时域特征的获取方法信号时域特征的获取方法2.1.2 2.1.2 时域信号的特征值获取方法时域信号的特征值获取方法时域信号的特征值获取方法时域信号的特征值获取方法1 1、零
6、线的读取方法、零线的读取方法、零线的读取方法、零线的读取方法测试信号测试信号=被测信号被测信号+干扰信号干扰信号被测信号实际的输出电平大小被测信号实际的输出电平大小被测信号的初始电平值被测信号的初始电平值对测试信号起始段取足够多的采样点算其算术平均值对测试信号起始段取足够多的采样点算其算术平均值被测信号的参考电平被测信号的参考电平干扰信号是随机的,其均值干扰信号是随机的,其均值=01/9/20231/9/20236 6南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系2.1 信号时域特征的获取方法信号时域特征的获取方法2 2、峰值的获取方法峰值的获取方法峰值的获取方法峰值的获取方法逐
7、点比较搜索最值逐点比较搜索最值精度差,但方法简单精度差,但方法简单原因:原因:1、峰值出现在两个采样点之间;、峰值出现在两个采样点之间;2、干扰毛刺叠加在被测信号上。、干扰毛刺叠加在被测信号上。(1 1)采样率与峰值判读的误差关系)采样率与峰值判读的误差关系1/9/20231/9/20237 7南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系2.1 信号时域特征的获取方法信号时域特征的获取方法(2 2)干扰噪声对峰值判读的影响)干扰噪声对峰值判读的影响)干扰噪声对峰值判读的影响)干扰噪声对峰值判读的影响3 3、信号周期、上升时间和脉冲宽度的获取、信号周期、上升时间和脉冲宽度的获取、
8、信号周期、上升时间和脉冲宽度的获取、信号周期、上升时间和脉冲宽度的获取峰值检测的精度受到严重影响峰值检测的精度受到严重影响数据拟合,或先平滑再判读即滑动平均处理数据拟合,或先平滑再判读即滑动平均处理过零点:测试数据与零平的交点过零点:测试数据与零平的交点方法:给定容许的误差带方法:给定容许的误差带,x0-xn x0+。当。当pkpT T不是方阵,可用最小二乘估计参数:不是方阵,可用最小二乘估计参数:不再是测试数据所构成,而是由测试数据的自不再是测试数据所构成,而是由测试数据的自相关系数组成相关系数组成自相关系数的最小二乘估计自相关系数的最小二乘估计若取若取k=1,2,p,k=1,2,p,则则
9、所示方程的个数所示方程的个数=未知数未知数a a的个数,即的个数,即Yule-WalkerYule-Walker方程方程特点:比自相关特点:比自相关+最小二乘法简单,计算量小,但参数估计精度较前低,在实际应用最小二乘法简单,计算量小,但参数估计精度较前低,在实际应用中还会发现用估计的参数计算中还会发现用估计的参数计算AR(p)AR(p)谱时,可能出现谱峰漂移、谱线分裂等问题。谱时,可能出现谱峰漂移、谱线分裂等问题。1/9/20231/9/20238888南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系2.5 时域信号的平滑与建模时域信号的平滑与建模2.5.2 2.5.2 2.5.2
10、 2.5.2 自回归(自回归(自回归(自回归(Auto RegresiveAuto RegresiveAuto RegresiveAuto Regresive)模型)模型)模型)模型 Ulrych-Clayton Ulrych-Clayton法认为,最小二乘估计法只使用了测试数据一次,并没有充法认为,最小二乘估计法只使用了测试数据一次,并没有充分利用数据中所含的信息,若能在参数估计的过程中多使用几次测试数据,则能分利用数据中所含的信息,若能在参数估计的过程中多使用几次测试数据,则能充分利用数据中的信息,参数估计精度必定提高。因此充分利用数据中的信息,参数估计精度必定提高。因此U-CU-C法将测
11、试数据序列进法将测试数据序列进行正向排列和逆向排列:行正向排列和逆向排列:根据最小二乘估计系数根据最小二乘估计系数a ai i。由于由于U-CU-C法正、反向两次应用测试数据中所含的法正、反向两次应用测试数据中所含的信息,提高了数据的利用率,并且实质上信息,提高了数据的利用率,并且实质上U-CU-C法是对测试数据进行正、反向后的最法是对测试数据进行正、反向后的最小二乘估计法,所以参数估计精度较前的最小二乘估价法更高,目前它是小二乘估计法,所以参数估计精度较前的最小二乘估价法更高,目前它是ARAR参数参数估计精度最高的估计方法,但计算量几乎是最小二乘法的估计精度最高的估计方法,但计算量几乎是最小
12、二乘法的2 2倍,占用计算机内存更倍,占用计算机内存更大。大。正向正向AR(p)AR(p)模型为:模型为:反向反向AR(p)AR(p)模型为:模型为:正向:正向:反向:反向:1/9/20231/9/20238989南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系2.5 时域信号的平滑与建模时域信号的平滑与建模2.5.2 2.5.2 2.5.2 2.5.2 自回归(自回归(自回归(自回归(Auto RegresiveAuto RegresiveAuto RegresiveAuto Regresive)模型)模型)模型)模型 BSMF BSMF法意为双对称矩阵分解法(法意为双对称矩阵分
13、解法(Bisymmetric Matrix FactorizationBisymmetric Matrix Factorization)。其指)。其指导思想是充分利用导思想是充分利用ARAR模型的正、反向模型的正、反向ARAR模型矩阵相加后得到的矩阵是中心矩阵这一模型矩阵相加后得到的矩阵是中心矩阵这一特点,经适当变换将其化为两个低阶对称矩阵,再利用特点,经适当变换将其化为两个低阶对称矩阵,再利用LUDLUD法求解模型参数。这样,法求解模型参数。这样,将高阶矩阵的计算转化为低阶矩阵的计算,更进一步减少了计算工作量将高阶矩阵的计算转化为低阶矩阵的计算,更进一步减少了计算工作量 矩阵递推估价法是固定
14、阶次矩阵递推估价法是固定阶次n n的递推方法,即:模型的阶次不是有建模中的的递推方法,即:模型的阶次不是有建模中的模型检验准则所确定,而是由模型的物理意义、试验或经验等其他途径获得,这模型检验准则所确定,而是由模型的物理意义、试验或经验等其他途径获得,这种情况下的所谓建模,只需估计给定阶次种情况下的所谓建模,只需估计给定阶次n n下的下的p p个模型参数个模型参数LUDLUD算法意为上、下三角形矩阵分解法(算法意为上、下三角形矩阵分解法(Lower and Upper Triangular Matrix Lower and Upper Triangular Matrix Decompositi
15、on)Decomposition),由清华大学两位老师于,由清华大学两位老师于19831983年提出的。年提出的。LUDLUD算法的参数估计精算法的参数估计精度高,从理论上说,其精度不低于度高,从理论上说,其精度不低于U-CU-C法,计算量大体比例于法,计算量大体比例于 ,显然,随,显然,随着阶次着阶次p p的增多,计算量显著增大,故此法适于模型阶次较低的参数估计。的增多,计算量显著增大,故此法适于模型阶次较低的参数估计。1/9/20231/9/20239090南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系2.5 时域信号的平滑与建模时域信号的平滑与建模2.5.2 2.5.2 2
16、.5.2 2.5.2 自回归(自回归(自回归(自回归(Auto RegresiveAuto RegresiveAuto RegresiveAuto Regresive)模型)模型)模型)模型 参数递推算法参数递推算法利用已求出的低阶模型参数递推出高阶模型参数。利用已求出的低阶模型参数递推出高阶模型参数。显然,这种方法的特点是计算速度快。在参数估计精度方面:一方面递推显然,这种方法的特点是计算速度快。在参数估计精度方面:一方面递推过程中累计计算误差的影响将不利于参数估计精度;另一方面,递推过程过程中累计计算误差的影响将不利于参数估计精度;另一方面,递推过程中反复运用测试数据中反复运用测试数据(或
17、自相关系数、自协方差函数或自相关系数、自协方差函数),又可以提高参数估,又可以提高参数估计精度。一般来说,这种方法的参数估计精度不会超过计精度。一般来说,这种方法的参数估计精度不会超过U-CU-C法。法。Levinson Levinson算法从形式上看,是根据低阶模型参数递推出高阶模型参数,实质上算法从形式上看,是根据低阶模型参数递推出高阶模型参数,实质上这些低阶模型参数是测试数据序列的自相关系数的计算结果,而估计过程具有参数这些低阶模型参数是测试数据序列的自相关系数的计算结果,而估计过程具有参数递推的形式。递推的形式。LevinsonLevinson算法的特点是概念简单,计算次数与算法的特点
18、是概念简单,计算次数与N N成正比,计算速度快,成正比,计算速度快,特别是当模型阶数特别是当模型阶数n n较高时,你最小二乘法和较高时,你最小二乘法和U-CU-C法的速度要快得多,但其参数估计法的速度要快得多,但其参数估计精度不高,适合在线建模。精度不高,适合在线建模。1/9/20231/9/20239191南京理工大学机械工程学院精仪系南京理工大学机械工程学院精仪系2.5 时域信号的平滑与建模时域信号的平滑与建模2.5.2 2.5.2 2.5.2 2.5.2 自回归(自回归(自回归(自回归(Auto RegresiveAuto RegresiveAuto RegresiveAuto Regr
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