信號分析與處理

《信號分析與處理》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、第3章?信號分析與處理通過測試所獲得的信號往往混有各種噪聲。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。信號的分析與處理過程就是對測試信號進行去偽存真、排除干擾從而獲得所需的有用信息的過程。一般來說，通常把研究信號的構成和特征值的過程稱為信號分析，把對信號進行必要的變換以獲得所需信息的過程稱為信號處理，信號的分析與處理過程是相互關聯(lián)的。信號處理的方法包括模擬信號處理和數(shù)字信號處理兩種方法。1.模擬信號處理法模擬信號處理法是直接對連續(xù)時間信號進行分析處理的方法，其分析過程是按照一定

2、的數(shù)學模型所組成的運算網(wǎng)絡來實現(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算電路構成模擬處理系統(tǒng)來獲取信號的特征參數(shù)，如均值、均方根值、自相關函數(shù)、概率密度函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等。2.數(shù)字信號處理法數(shù)字信號處理就是用數(shù)字方法處理信號，它可以在專用的數(shù)字信號處理儀上進行，也可以在通用計算機上或DSP芯片上通過編程實現(xiàn)。在運算速度、分辨力和功能等方面，數(shù)字信號處理技術都優(yōu)于模擬信號處理技術。目前，數(shù)字信號處理已經(jīng)得到越來越廣泛的應用。3.1?數(shù)字信號處理基礎數(shù)字信號處理的特點是處理離散數(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)的模擬量時間序列變換成離散的時間序列。所以總有一個模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換過程。這一過程把連續(xù)信號轉(zhuǎn)變成等間隔的離散時間序列，并對該序列的幅值進行量化，然后送入通用計算機或?qū)Ｓ脭?shù)字信號處理儀中處理。由于通用計算機或?qū)Ｓ脙x器的容量和計算速度是有限的，因而處理的數(shù)據(jù)長度也是有限的，為此，信號必須經(jīng)過截斷，以致在時間序列的數(shù)字處理中必然會引起一些誤差。如何恰當?shù)剡\用數(shù)字分析方法，比較準確

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時的一些基礎知識和概念做一些介紹。3.1.1?數(shù)字信號處理的基本步驟數(shù)字信號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)時間信號轉(zhuǎn)換為與其相應的數(shù)字信號的過程稱之為模/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)字信號處理的必要程序。圖3.1?數(shù)字信號處理系統(tǒng)框圖1.信號預處理信號的預處理是將信號變換成適于數(shù)字處理的形式，以減小數(shù)字處理的難度。它包括：(1)信號電壓幅值處理，使之適宜于采樣；(2)過濾信號中的高頻噪聲；(

5、3)隔離信號中的直流分量，消除趨勢項；(4)如果信號是調(diào)制信號，則進行解調(diào)。信號調(diào)理環(huán)節(jié)應根據(jù)被測對象、信號特點和數(shù)學處理設備的能力進行安排。2.A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換包括了在時間上對原信號等間隔采樣、幅值上的量化及編碼，即把連續(xù)信號變成離散的時間序列，其處理過程如圖3.2所示。圖3.2?信號A/D轉(zhuǎn)換過程3.數(shù)字信號分析數(shù)字信號分析可以在信號分析儀、通用計算機或?qū)Ｓ脭?shù)字信息處理機上進行。由于計算機只能處理有限長度的數(shù)據(jù)，所以要把長時間的序列截斷。在截斷時會產(chǎn)生一些誤差，所以有時要對截斷的數(shù)字序列進行加權(乘以窗函

6、數(shù))以成為新的有限長的時間序列。如有必要還可以設計專門的程序進行數(shù)字濾波。然后把所得的有限長的時間序列按給定的程序進行運算。例如，作時域中的概率統(tǒng)計、相關分析、建模和識別，頻域中的頻譜分析、功率譜分析、傳遞函數(shù)分析等。4.輸出結果運算結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)學信號處理結果輸入后續(xù)計算機，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域采樣和頻域采樣。1.時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。這樣，

7、各采樣點上的信號大小就變成脈沖序列的權值，這些權值將被量化成相應的二進制編碼。其數(shù)學上的描述為，間隔為Ts的周期脈沖序列g(t)乘模擬信號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)時域采樣后，各采樣點的信號幅值為x(nTs)。采樣原理如圖3.3所示，其中g(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、?時域采樣原理由于后續(xù)的量化過程需要一定的時間，對于隨時間變化的模擬輸入信號，要求瞬時采樣值在時間內(nèi)保持不變，這樣才能保證轉(zhuǎn)換的正確性和轉(zhuǎn)換精度，這個過程就是采樣保持。正是有了采樣保持，實際上采樣后的信號是階梯形的連續(xù)函數(shù)。2.頻率混疊和采樣定理采樣間隔的選擇是一個重要的問題。采樣間隔太小(采樣頻率高)，則對定長的時間記錄來說其數(shù)字序列就很長(即采樣點數(shù)多)，使計算工作量