信號(hào)分析與處理

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1、第3章?信號(hào)分析與處理通過測試所獲得的信號(hào)往往混有各種噪聲。噪聲的來源可能是由于測試裝置本身的不完善，也可能是由于系統(tǒng)中混入其他的輸入源。信號(hào)的分析與處理過程就是對測試信號(hào)進(jìn)行去偽存真、排除干擾從而獲得所需的有用信息的過程。一般來說，通常把研究信號(hào)的構(gòu)成和特征值的過程稱為信號(hào)分析，把對信號(hào)進(jìn)行必要的變換以獲得所需信息的過程稱為信號(hào)處理，信號(hào)的分析與處理過程是相互關(guān)聯(lián)的。信號(hào)處理的方法包括模擬信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理兩種方法。1.模擬信號(hào)處理法模擬信號(hào)處理法是直接對連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行分析處理的方法，其分析過程是按照一定

2、的數(shù)學(xué)模型所組成的運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，即使用模擬濾波器、乘法器、微分放大器等一系列模擬運(yùn)算電路構(gòu)成模擬處理系統(tǒng)來獲取信號(hào)的特征參數(shù)，如均值、均方根值、自相關(guān)函數(shù)、概率密度函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等。2.數(shù)字信號(hào)處理法數(shù)字信號(hào)處理就是用數(shù)字方法處理信號(hào)，它可以在專用的數(shù)字信號(hào)處理儀上進(jìn)行，也可以在通用計(jì)算機(jī)上或DSP芯片上通過編程實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)算速度、分辨力和功能等方面，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)都優(yōu)于模擬信號(hào)處理技術(shù)。目前，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。3.1?數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)是處理離散數(shù)據(jù)。盡管目前已發(fā)展

3、了不少數(shù)字式傳感器，但大多數(shù)的傳感器是模擬量傳感器，其輸出是模擬量，而且所測試的大多數(shù)物理過程本質(zhì)上仍是連續(xù)的。因此首先要將傳感器輸出連續(xù)的模擬量時(shí)間序列變換成離散的時(shí)間序列。所以總有一個(gè)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換過程。這一過程把連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)變成等間隔的離散時(shí)間序列，并對該序列的幅值進(jìn)行量化，然后送入通用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字信號(hào)處理儀中處理。由于通用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脙x器的容量和計(jì)算速度是有限的，因而處理的數(shù)據(jù)長度也是有限的，為此，信號(hào)必須經(jīng)過截?cái)?，以致在時(shí)間序列的數(shù)字處理中必然會(huì)引起一些誤差。如何恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用數(shù)字分析方法，比較準(zhǔn)確

4、地提取原序列中的有用信息呢？本節(jié)將對采用數(shù)字方法處理測試信號(hào)時(shí)的一些基礎(chǔ)知識(shí)和概念做一些介紹。3.1.1?數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟數(shù)字信號(hào)處理的一般步驟可用圖?3.1?所示簡單框圖來概括。把連續(xù)時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為與其相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)的過程稱之為模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換過程，反之則稱為數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換過程，它們是數(shù)字信號(hào)處理的必要程序。圖3.1?數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框圖1.信號(hào)預(yù)處理信號(hào)的預(yù)處理是將信號(hào)變換成適于數(shù)字處理的形式，以減小數(shù)字處理的難度。它包括：(1)信號(hào)電壓幅值處理，使之適宜于采樣；(2)過濾信號(hào)中的高頻噪聲；(

5、3)隔離信號(hào)中的直流分量，消除趨勢項(xiàng)；(4)如果信號(hào)是調(diào)制信號(hào)，則進(jìn)行解調(diào)。信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)應(yīng)根據(jù)被測對象、信號(hào)特點(diǎn)和數(shù)學(xué)處理設(shè)備的能力進(jìn)行安排。2.A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換包括了在時(shí)間上對原信號(hào)等間隔采樣、幅值上的量化及編碼，即把連續(xù)信號(hào)變成離散的時(shí)間序列，其處理過程如圖3.2所示。圖3.2?信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換過程3.數(shù)字信號(hào)分析數(shù)字信號(hào)分析可以在信號(hào)分析儀、通用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)字信息處理機(jī)上進(jìn)行。由于計(jì)算機(jī)只能處理有限長度的數(shù)據(jù)，所以要把長時(shí)間的序列截?cái)?。在截?cái)鄷r(shí)會(huì)產(chǎn)生一些誤差，所以有時(shí)要對截?cái)嗟臄?shù)字序列進(jìn)行加權(quán)(乘以窗函

6、數(shù))以成為新的有限長的時(shí)間序列。如有必要還可以設(shè)計(jì)專門的程序進(jìn)行數(shù)字濾波。然后把所得的有限長的時(shí)間序列按給定的程序進(jìn)行運(yùn)算。例如，作時(shí)域中的概率統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、建模和識(shí)別，頻域中的頻譜分析、功率譜分析、傳遞函數(shù)分析等。4.輸出結(jié)果運(yùn)算結(jié)果可直接顯示或打印，也可用數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器再把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸入外部被控裝置。如有必要可將數(shù)學(xué)信號(hào)處理結(jié)果輸入后續(xù)計(jì)算機(jī)，用專門程序做后續(xù)處理。3.1.2?采樣、混疊和采樣定理采樣分時(shí)域采樣和頻域采樣。1.時(shí)域采樣采樣過程可以看作用等間隔的單位脈沖序列去乘模擬信號(hào)。這樣，

7、各采樣點(diǎn)上的信號(hào)大小就變成脈沖序列的權(quán)值，這些權(quán)值將被量化成相應(yīng)的二進(jìn)制編碼。其數(shù)學(xué)上的描述為，間隔為Ts的周期脈沖序列g(shù)(t)乘模擬信號(hào)x(t)。g(t)由式(3-1)表示，即?n=0,±1,±2,±3,…?????????????????????????????(3-1)由δ函數(shù)的篩選特性式(2-66)可知?n=0,±1,±2,±3,…????????(3-2)經(jīng)時(shí)域采樣后，各采樣點(diǎn)的信號(hào)幅值為x(nTs)。采樣原理如圖3.3所示，其中g(shù)(t)為采樣函數(shù)。稱為采樣間隔，或采樣周期，稱為采樣頻率。???圖3.3

8、?時(shí)域采樣原理由于后續(xù)的量化過程需要一定的時(shí)間，對于隨時(shí)間變化的模擬輸入信號(hào)，要求瞬時(shí)采樣值在時(shí)間內(nèi)保持不變，這樣才能保證轉(zhuǎn)換的正確性和轉(zhuǎn)換精度，這個(gè)過程就是采樣保持。正是有了采樣保持，實(shí)際上采樣后的信號(hào)是階梯形的連續(xù)函數(shù)。2.頻率混疊和采樣定理采樣間隔的選擇是一個(gè)重要的問題。采樣間隔太小(采樣頻率高)，則對定長的時(shí)間記錄來說其數(shù)字序列就很長(即采樣點(diǎn)數(shù)多)，使計(jì)算工作量