第五章信号处理初步

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1、第21页共21页第五章信号处理初步测试工作的目的是获取反映被测对象的状态和特征的信息。但是有用的信号总是和各种噪声混杂在一起的，有时本身也不明显，难以直接识别和利用。只有分离信号与噪声，并经过必要的处理和分析、清除和修正系统误差之后，才能比较准确地提取测得信号中所含的有用信息。因此，信号处理的目的是:1)分离信、噪，提高信噪比;2)从信号中提取有用的特征信号;3)修正测试系统的某些误差，如传感器的线性误差、温度影响等。信号处理可用模拟信号处理系统和数字信号处理系统来实现。模拟信号处理系统由一系列能实现模拟运算的电路，诸

2、如模拟滤波器、乘法器、微分放大器等环节组成。其中大部分环节在前行课程和前面几章中已有讨论。模拟信号处理也作为数字信号处理的前奏，例如滤波、限幅、隔直、解调等预处理。数字处理之后也常需作模拟显示、记录等。数字信号处理是用数字方法处理信号，它即可在通用计算机上借助程序来实现，也可以用专用信号处理机来完成。数字信号处理机具有稳定、灵活、快速、高效、应用范围广、设备体积小、重量轻等优点，在各行业中得到广泛的应用。第一节数字信号处理的基本步骤1.数字信号处理的基本步骤如图5-I所示。信号的预处理是把信号变成适于数字处理的形式，以

3、减轻数字处理的困难。预处理包括:1)电压幅值调理为便于采样，总是希望电压峰-峰值足够大，以便充分利用A/D换器的精确度。如12位的A/D转换器，其参考电压为5V。由于2l2=4096，故其末位数的当量电压为2.5mV。若信号电平较低，转换后二进制数的高位都为0，仅在低位有值，转换后的信噪比将很差。若信号电平绝对值超过5V，则转换中又将发生溢出，这是不允的。所以进入A/D转换的信号的电平应适当调整。2)必要的滤波，以提高信噪比，并滤去信号中的高频噪声。第21页共21页3)隔离信号中的直流分量(如果所测信号中不应有直流分量

4、)。4)如原信号经过调制，则应先行解调。5)对数据中的奇异点(由于强干扰或信号丢失引起的数据变)应予以剔除。6)对温漂、时漂等系统性干扰所引起的趋势项(周期大于记录长度的频率分)予以分离。2.数字化用A/D将模拟信号转换为数字信号；3.数字化处理按需要进行时域、频域或其它域的处理（应用相应的软件完成），其中频域处理方法最优越；4.模拟化或显示。信号处理内容很丰富，以下仅讨论数字信号处理中的重点部分，如数字化的过程、存在的问题及解决方法、数字化时时频域转换的原理和方法。第二节信号数字化的基本步骤与问题一.概述数字化时频域

5、转换的基本概念是用数字方法来实现傅立叶变换，这种变换的数学基础是离散傅立叶变换（DFT）。在连续信号傅立叶变换中，为获取正、逆傅立叶变换，无论是在时域或频域都需要对连续函数作积分运算，且积分限均为-到+全部时间轴或频率轴的范围，为在计算机上完成这一变换，就需对连续函数的傅立叶变换作如下两大处理：①使连续函数在时间域上或频率域上变为离散数据；②把两域上的计算范围从无限变为有限。下面从处理一个模拟信号的频谱分析为例，用图解的方法概括说明这一过程。设连续信号x(t)及其频谱X(f)如图5-2所示，为能应用数字计算机对其进行处

6、理，应实施如下处理。1.对x(t)采样所谓采样，就是把连续时间信号变成离散时间序列的过程。这一过程相当于在连续时间信号上"摘取"许多离散时刻上的信号瞬时值。在数学处理上，可看作以等时距的单位脉冲序列(称其为采样信号)第21页共21页去乘连续时间信号，各采样点上的瞬时值就变成脉冲序列的强度。以后这些强度值将被量化而成为相应的数值。长度为T的连续时间信号x(t)，从点t=0开始采样，采样得到的离散时间序列为x(n)，采样间隔的选择是一个重要的问题。若采样间隔太小(采样频率高)，则对定长的时间记录来说其数字序列就很长，计算工

7、作量增大;如果数字序列长度一定，则只能处理很短的时间历程，可能产生较大的误差。若采样间隔过大(采样频率低)，则可能丢掉有用的信息，有关问题将在以后讨论。按采样定义，把x(t)离散为数字信号，方法就是用等间隔（Ts）的周期脉冲序列s(t)去乘x(t)，其乘积以xs(t)表示，称为采样信号。已知采样脉冲S(t)时域表达式为：，其频谱为(见图5-3)，则采样信号xs(t)=，其频谱（参见图5-4）为：第21页共21页（A）由图5-4可见，1）的频谱，相当于将乘以1/Ts,然后将其平移，使其在S(f)图形的各脉冲所在处重新构图

8、，2）因的频带大于1/2Ts，故平移后的图形产生交叠（图中虚线所示），3）xs(t)的频谱呈周期性，其谱图是这些平移后图形的叠加（图中实线所示）。2.对已采样的x(t)进行截断因已采样的x(t)有无限多个采样值，而计算机只能进行有限长序列的运算，所以必须从采样后信号的时间序列截取有限长的一段来计算，其余部分视为零而不予考虑。截断实