机械工程测试信号处理初

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1、第五章信号处理初步研究信号的构成和特征值称为信号分析；把信号经过必要的加工变换，以获得有用信息的过程称为信号处理。由以上定义可知，信号分析并不影响信号本身的结构，而信号处理则有可能改变信号本身的结构。信号处理可以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环节组成。数字信号处理是用数字方法处理信号,它既可以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。信号处理的目的:1)分离信、噪提高信噪比2)从信号中提取有用的信号3)修正测试系统的某些误差第一节数字信号处理的基本步骤1）电压幅值调理，以适宜采样。2）滤波

2、，以提高信噪比。3）隔离信号中的直流分量。4）调制解调。模拟信号经采样、量化并转化为二进制计算机测试系统的基本组成A/D和D/A转换是数字信号处理的必要程序。A/D转换过程包括采样、量化和编码三个步骤，其转换原理图所示。由图可见，若信号x(t)可能出现的最大值为A，令其分为d个间隔，则每个间隔大小为q=A/d，q称为量化当量或量化步长。A/D转换：D/A转换D/A转换器将输入的数字量转换为模拟电压或电流信号输出，其基本要求是输出信号A与输入数字量D成正比，给出了D/A转换过程,不断转换可得到各个不同时刻的瞬时值，这些瞬时值的集合对一个信号而言在时域仍是离散的，要将

3、其恢复为原来的时域模拟信号，还必须通过保持电路进行波形复原。D/A经保持器输出的信号实际为许多矩形脉冲构成，为了得到光滑的输出信号，还必须通过低通滤波滤去除其中的高频噪声，从而恢复出原信号。第二节信号数字化出现的问题一、概述设模拟信号x(t)的傅立叶变换为X(f)，为了利用计算机来计算，必须使x(t)变换成有限长的离散时间序列。为此,对x(t)进行采样和截断。二、采样、混叠和采样定理采样是把连续时间信号变成离散时间序列的过程，就是等间距地取点。而从数学处理上看，则是用采样函数去乘连续信号。采样是用一个等时距的周期脉冲序列s(t)去乘x(t)。时距TS称为采样间隔，

4、1/TS=fS称为采样频率。长度为T的连续时间信号x(t),从t=0点开始采样，得到离散时间序列x(n)为其中：n=0,1,2,3,……N-1其中采样间隔的选择是个重要的问题混叠：在频域中，如果平移距离过小，平移后的频谱就会有一部分相互交叠，从而使新合成的频谱与原频谱不一致，因而无法准确地恢复原时域信号，这种现象称为混叠。产生混叠原因：（1）、采样频率太低。（2）、原模拟信号不是有限带宽的信号，即采取措施：（1）对非有限带宽的模拟信号，在采样之前先通过模拟低通滤波器滤去高频成分，使其成为带限信号。这种处理称为抗混叠滤波预处理。（2）满足采样定理，采样定理：采样频率

5、必须大于最高频率的两倍即，这就是采样定理。三、量化和量化误差时域采样只是把连续信号的时间离散化了。而对于幅值如果用二进制数码组来表示，就是离散信号变成数字信号。这一过程称为量化。量化一般是由A/D转换器来实现的。量化误差分析设A/D转换器的位数为b,允许的动态工作范围为D，则相邻量化电平之差（由于实际上字长的第一位常用作符号位），每个量化电平对应一个二进制数码。若采样点的电平落在两相邻量化之间，就必须含入到相近的一个量化电平上。采取措施（1）提高A/D转换的为数，既降低了量化误差，但A/D转换的位数选择应视信号的具体情况和量化的精度要求而定，位数增多后，成本显著增

6、加，转换速率下降。（2）实际上，和信号获取、处理的其他误差相比，量化误差通常不大，所以一般可忽略其影响。是指采样点的实际电平与量化电平之间的差值。量化误差四、截断、泄漏和窗函数截断就是将信号乘以时域的有限宽矩形窗函数，实际是取有限长的信号，从数学处理上看，就是乘以时域的有限宽矩形窗函数。即在时域中乘矩形窗函数，经处理后其时域、频域的关系是其中窗函数的合理选择是个重要的问题泄漏由于矩形窗函数的频谱是一个无限带宽的sinc函数。所以即使x(t)是带限信号，在截断后也仍然成为无限带宽的信号，这种信号的能量在频率轴分布扩展的现象称为泄漏。泄漏原因：窗函数的频谱是无限带宽的

7、。采用合适的窗函数来对所截取的时域信号进行加权处理。常用的窗函数Ⅰ、矩形窗公式主瓣最窄（高T，宽2/T）旁瓣则较高（主瓣的20%，-13dB旁瓣的率减率为20dB/10倍频程Ⅱ、三角窗公式主瓣较宽（高T/2，宽4/T）旁瓣则较低不会出现负值五、频域采样、栅栏效应频域采样是使频率离散化，在频率轴上等间距地取点的过程。而从数学处理上看，则是用采样函数去乘连续频谱。依据FT的卷积特性——频域相乘就等于时域做卷积函数的卷积特性——时域作卷积就等于时域波形的周期延拓频域采样和时域采样相似，在频域中用脉冲序列乘信号的频谱函数。栅栏效应采样的实质就是摘取采样点上对应的函数值，其

8、效果有如透