机械工程测试技术 教学课件 作者 许同乐 第五章 信号分析与处理.ppt

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1、第五章信号分析与处理信号处理:对测试所得信号经过必要的加工变换以获得所需信息的过程信号分析:研究信号的类别、构成和特征值信号处理的目的:_分离信号和噪声,提高信噪比_从信号中提取有用的特征信号_修正测试系统的某些误差信号处理系统模拟信号处理系统数字信号处理系统由模拟器件组成的一系列能实现模拟运算的电路，如模拟滤波器、乘法器、微分放大器等环节组成。可作为数字信号处理的预处理环节，如滤波、限幅、隔直、解调等。在通用计算机或专用信号处理机中，利用数字方法处理信号。数字信号处理具有稳定、灵活、快速、高效、应用范围广、设备体积小重量轻等优点。第一节数字信号处理的基本组

2、成数字信号处理步骤简图在实际中遇到的大多数信号是自然模拟信号。即信号是连续变量的函数，这些连续变量通常在一个连续的范围内取值。可直接被合适的模拟系统处理（如滤波器、谱分析仪或倍频器），以改变信号的特征或提取有用信息。在这种情况下，信号是直接以模拟形式处理的进行数字处理，要在模拟信号和数字信号处理器之间有一个接口。称模数转换器（analogtodigital(A/D)converter）A/D转换器的输出是数字信号，是数字信号处理器的输入。数字信号处理器：是一个对输入信号执行所需操作的大的可编程数字计算机，或一个小的可编程微处理器，也可是一个对输入信号执行指定

3、操作集的硬连线数字信号处理器。当信号处理操作被选定后，操作的硬连线实现可被优化，从而做出价格更低廉的信号处理器。在应用中，数字信号处理器的数字输出通常是以模拟形式提交给用户的。然而，有一些包含信号分析的实际应用，有用信息是以数字形式搬运的，不需D/A转换器（雷达）。第二节模拟信号转换为数字信号实际应用中感兴趣的信号大多是模拟信号，如语音信号、机械信号、生物学信号等。要通过数字方法处理模拟信号，应先将它们转换成数字形式，即转换为具有优先精度的数字序列。这一过程称为模数转换（A/D），而相应的设备，称为A/D转换器（ADC）。将A/D转换过程1）采样连续时间信号

4、到离散时间信号的转换过程，通过对连续时间信号在离散时间点处的取样值获得。2)量化离散时间连续值信号转换到离散时间离散值（数字）信号的转换过程。每个信号样本值是从可能值的有限集中选取的。3)编码在编码过程中，每一个离散值由b位的二进制序列表示。1模拟信号采样采样过程：时域变化：用等时距的周期单位脉冲序列s(t)（或采样函数）去乘x(t)，即：s(t)x(t)；T－采样间隔；1/T－采样频率频域变化：信号频谱为X(f)与S(f)的卷积，即：X(f)*S(f)S(f)也是周期脉冲序列，频率间距fs=1/T出现问题：如fm大于1/2T，频谱会发生交叠。注意：在模拟信

5、号的频率变量（或）和离散时间信号的频率变量（或）2采样的频域表示采样信号的频谱是原模拟信号的频谱沿频率轴，每间隔采样角频率重复出现一次，或者说采样信号的频谱是原模拟信号的频谱以为周期，进行周期性延拓而成的。一般称为折叠频率，只有当信号最高频率不超过该频率时，才不会产生频谱混叠现象，否则超过的频谱会折叠回来形成混叠现象，因此，频谱混叠均产生在附近。采样定理（奈奎斯特采样定理或香农采样定理，Nyquist,1928;Shannon,1949）：（1）对连续信号（模拟信号）进行等间隔采样形成采样信号，采样信号的频谱是原连续信号的频谱仪采样频率为周期进行周期性的延拓

6、而形成的。（2）设连续信号属带限信号，最高截止频率为，如果采样角频率，让采样信号通过一个增益为，截至频率为的理想低通滤波器，可唯一地恢复出原连续信号。否则，如果，会造成采样信号中的频谱混叠现象，不可能无失真地恢复原连续信号。频率一般称为奈奎斯特频率频率称为奈奎斯特率，采样频率必须大于奈奎斯特率。3.离散时间信号的傅立叶变换与模拟信号傅立叶变换之间的关系采样信号与模拟信号的傅立叶变换，最终的目的是要用和来表示序列的离散时间傅立叶变换。模拟信号的傅立叶变换对表示如下对式（5-9）进行傅立叶变换，可得因为由式以上几式可得由式（5-13）和式（5-21），结果为等效

7、为将模拟信号转换为数字信号是由模数转换器A/DC(Analog/DigitalConverter)完成，A/DC的原理框图A/D转换器的位数是一定的，一个b位的二进制数，共有L＝2b个数码，A/D转换器允许的工作范围为D(±5V或0－10V)两相邻的电平之间的差为D/2(b-1)。量化和量化误差量化:采样所得的离散信号的幅值用二进制数码组表示(离散信号变为数字信号)，这一过程称为量化。量化误差：量化电平与信号实际电平之间的差值称为量化误差。量化误差是绝对误差，所以信号越接近满量程电压值FSR，相对误差越小。在进行数字信号处理时，应使模拟信号幅值的大小与满量程

8、匹配。若信号很小时，应使用程控放大器。提高量化精度的