33测量信号的分析与处理课件.ppt

1、测量信号的分析与处理测量信号的分析与处理测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（1 1）因测量环境中常存在各种可能的干扰量，故实际测量中采因测量环境中常存在各种可能的干扰量，故实际测量中采集到的信号往往不仅是所关心的信号本身，而还伴有不希望集到的信号往往不仅是所关心的信号本身，而还伴有不希望的其它成分。对采集信号的分析与处理，即指如何有效地将的其它成分。对采集信号的分析与处理，即指如何有效地将采得的数字化信号中的各种干扰消除掉，或最大程度地将其采得的数字化信号中的各种干扰消除掉，或最大程度地将其削弱，从而得到（提取出）所关心的有用信号。削弱，从而得到（提取出）所关心的有用信号。测量信号的分

2、析与处理（测量信号的分析与处理（2 2）由此途径可找到的用由此途径可找到的用于信号分析与处理的快速于信号分析与处理的快速VIVI即即Express VIExpress VI，大多由基，大多由基本函数构成。本函数构成。其实，其实，LabVIEWLabVIEW提供提供有很多可用于信号分析与有很多可用于信号分析与处理的处理的VIVI。即除上述快速。即除上述快速VIVI外，另外经外，另外经“函数函数”选选板板 -“信号处理信号处理”途径，途径，还可找到更多用于信号分还可找到更多用于信号分析与处理的功能函数。析与处理的功能函数。经经“函数函数”选板选板-Express-“信号分析信号分析”途径，可找途径

3、，可找到到13个用于信号分析与处理的用个用于信号分析与处理的用Express VI。测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（3 3）随着随着LabVIEW版本的不断翻新，为更便于用户版本的不断翻新，为更便于用户的使用，的使用，LabVIEW将函数类型丰富为了三种，即：将函数类型丰富为了三种，即：基本函数、波形函数以及基本函数、波形函数以及Express VI。另一途径：另一途径：“函数函数”选板选板-“-“信号处理信号处理”测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（4 4）对被测信号进行对被测信号进行FFTFFT变换举例（变换举例（A A）例如，产生一个周期信号，然后对它做例如，产生一个

4、周期信号，然后对它做FFT，可以得到其，可以得到其幅度和相位频谱。幅度和相位频谱。实施测量任务时，经数据采集卡采到的是时域波形的抽样实施测量任务时，经数据采集卡采到的是时域波形的抽样信号信号采样信号。在时域可分析处理信号的时域特征，如随采样信号。在时域可分析处理信号的时域特征，如随时间的变化趋势、大小，等等。时间的变化趋势、大小，等等。而被测信号也有频率特征，如其中含有不同频率成分等。而被测信号也有频率特征，如其中含有不同频率成分等。为分析信号的频率特征，需要将获得的时域波形的采样信号转为分析信号的频率特征，需要将获得的时域波形的采样信号转换到频域去分析处理。在频域分析信号的基本方法是傅立叶变

5、换到频域去分析处理。在频域分析信号的基本方法是傅立叶变换法，其快速实现方法又称换法，其快速实现方法又称FFT，且由它逐渐派生出很多种用且由它逐渐派生出很多种用于在频域分析处理信号的功能函数。对信号进行频域分析（包于在频域分析处理信号的功能函数。对信号进行频域分析（包括频谱分析和扫频分析），能获得在时域测量中得不到的频率括频谱分析和扫频分析），能获得在时域测量中得不到的频率特征信息，如谐波分量、寄生、交调、噪声边带等。特征信息，如谐波分量、寄生、交调、噪声边带等。测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（5 5）现象：幅度谱存在有现象：幅度谱存在有“泄漏泄漏”现象。这是因为现象。这是因为采集到

6、的被测信号的样本采集到的被测信号的样本数有限。增加样本数，情数有限。增加样本数，情况会有所改善，但不能完况会有所改善，但不能完全消除。全消除。对被测信号进行对被测信号进行FFTFFT变换举例（变换举例（B B）“函数函数”选板选板-“信号处理信号处理”-“波形生成波形生成”-“仿真信号仿真信号”“函数函数”选板选板-“信号处理信号处理”-“波形测量波形测量”-“频谱测量频谱测量”测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（6 6）给被测信号给被测信号“加窗加窗”（a a）基于计算机构建的虚拟仪器只能分析计算机构建的虚拟仪器只能分析/处理有限长的数字信处理有限长的数字信号，如此，被测信号号，如此

7、，被测信号x(t)以以T（采样时间或采样长度）被截取一（采样时间或采样长度）被截取一段送入计算机，就称为被截断，相当于加了段送入计算机，就称为被截断，相当于加了“矩形窗矩形窗”将将信号突然截断，致使在很宽频率范围内向被测信号中添加了另信号突然截断，致使在很宽频率范围内向被测信号中添加了另外的成分。附加频率成分不属于外的成分。附加频率成分不属于x(t)，被称为，被称为“频谱泄漏频谱泄漏”。频。频谱泄漏会带来如下问题：谱泄漏会带来如下问题：为减少频谱泄漏，可采用变化相对缓慢的非矩形窗函数对被为减少频谱泄漏，可采用变化相对缓慢的非矩形窗函数对被测信号进行截断；这被称为给被测信号测信号进行截断；这被称

8、为给被测信号“加窗加窗”。使信号的频域曲线上产生许多使信号的频域曲线上产生许多“皱纹皱纹”、频率分辨率降低；、频率分辨率降低；如果信号为幅值一大一小、频率很接近的两正弦波信号如果信号为幅值一大一小、频率很接近的两正弦波信号 的合成，因泄漏，在频域，幅值小信号可能被的合成，因泄漏，在频域，幅值小信号可能被“淹没淹没”；所关注信号的频率所关注信号的频率f0附近的频率特性曲线部分可能过于平附近的频率特性曲线部分可能过于平 缓，致使无法准确确定缓，致使无法准确确定f0的值。的值。测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（7 7）给被测信号给被测信号“加窗加窗”（b b）在实际应用中，如何选择窗函数？

9、在实际应用中，如何选择窗函数？要仔细分析被测信号的特征，再结合希望达到的目的，并要仔细分析被测信号的特征，再结合希望达到的目的，并可能要经过反复试验。窗函数有多种，如汉宁窗、海宁窗、余可能要经过反复试验。窗函数有多种，如汉宁窗、海宁窗、余弦窗（多种）、布莱克曼窗，等等，它们各有特点；弦窗（多种）、布莱克曼窗，等等，它们各有特点；若使用不若使用不当，甚至可能带来负面效应当，甚至可能带来负面效应。使用窗函数的原由很多，例如使用窗函数的原由很多，例如：（：（1）限）限定测量的持续时间；定测量的持续时间；（2）减少频谱泄漏；（）减少频谱泄漏；（3）将）将频率接近、幅值不同的信号成分频率接近、幅值不同的

10、信号成分分离出来分离出来。举例举例：把频率接近、幅值不同的两个正弦信号相互分离提把频率接近、幅值不同的两个正弦信号相互分离提取出来。经过途径取出来。经过途径 “帮助帮助”“”“查找范例查找范例”“”“信号分析和处信号分析和处理理”“FFT”“FFT和频率分析和频率分析”Window Comparison.vi”Window Comparison.vi 可找到这个例子。可找到这个例子。测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（8 8）给被测信号给被测信号“加窗加窗”（c c）“帮助帮助”“查找范例查找范例”“信号分析和处理信号分析和处理”“FFT和频率分析和频率分析”Window Compar

11、ison.vi测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（9 9）ChirpChirp信号及其频谱（一）信号及其频谱（一）Chirp信号又称线性调频信号，其数学表达式为：信号又称线性调频信号，其数学表达式为：F(t)=sin(a*t2+b*t)其中，设其中，设t为时间变量；为时间变量；调节参数调节参数a和和b，可得到幅值恒定、频率连续变化（在一定，可得到幅值恒定、频率连续变化（在一定频率范围内）的一个频率范围内）的一个“正弦正弦”信号。信号。LabVIEW提供有此函数。提供有此函数。从途径从途径“函数函数”选板选板“信号处理信号处理”“”“信号生成信号生成”Chirp Chirp 信号信号.v

12、i.vi 可得到这个函数。可得到这个函数。注意注意：利用已给定的缺省值（默认值）为宜，观察效果好：利用已给定的缺省值（默认值）为宜，观察效果好。举例举例：调用调用Chirp函数，并观察它的时域和频域特性。函数，并观察它的时域和频域特性。Chirp信信号及其频号及其频谱（二）谱（二）F(t)=sin(a*t2+b*t)测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（1010）数字滤波（数字滤波（a a）数字滤波是信号分析与处理的重要步骤，在某些应用数字滤波是信号分析与处理的重要步骤，在某些应用领域，尤其是在一些需要灵活性和编程能力的领域它已取代领域，尤其是在一些需要灵活性和编程能力的领域它已取代了模

13、拟滤波器。了模拟滤波器。与模拟滤波器相比，数字滤波器有下列优点：与模拟滤波器相比，数字滤波器有下列优点：1）可用软件编程，设计、修改、优化均十分方便、快捷；）可用软件编程，设计、修改、优化均十分方便、快捷；2）稳定性好，滤波性能可预测；）稳定性好，滤波性能可预测；3）不因温度、湿度等影响产生误差，不需高精度元器件）不因温度、湿度等影响产生误差，不需高精度元器件；4）具有较高的性能价格比。）具有较高的性能价格比。举举 例：例：用用“仿真信号仿真信号”函数（函数（Express VI）发生一个幅值为）发生一个幅值为1、频率为、频率为10Hz的方波信号，并且叠加幅值为的方波信号，并且叠加幅值为0.1

14、的白噪声。把的白噪声。把此信号送给数字滤波器处理，希望仅得到方波信号中的正弦基此信号送给数字滤波器处理，希望仅得到方波信号中的正弦基波信号；并显示出滤波前后的信号（波信号；并显示出滤波前后的信号（查看滤波效果查看滤波效果）。）。测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（11 11）数字滤波（数字滤波（2 2）“函数函数”选板选板-“信号处理信号处理”-“波形调理波形调理”-“滤滤波器波器”测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（1212）相关分析（相关分析（a a）为实现对被测信号的有效检测、识别和提取，对被测信号进为实现对被测信号的有效检测、识别和提取，对被测信号进行分析处理中，经常要

15、研究两个信号的相似性，或一信号经过行分析处理中，经常要研究两个信号的相似性，或一信号经过一段延迟后其自身的相似性。这就要对信号进行一段延迟后其自身的相似性。这就要对信号进行“相关相关”分析。分析。相关函数是描述随机函数的重要统计量。相关分析又分相关函数是描述随机函数的重要统计量。相关分析又分“互相互相关关”和和“自相关自相关”。例如通过对一个信号进行自相关分析，可。例如通过对一个信号进行自相关分析，可从噪声很强的信号中检测出是否含有周期成分。从噪声很强的信号中检测出是否含有周期成分。举例举例：选用选用“卷积和相关卷积和相关”Express VI”Express VI（路径是路径是“函数函数”选

16、板选板“信号处理信号处理”“”“信号运算信号运算”“”“卷积和相关卷积和相关”）中的自相）中的自相关函数，来检测由关函数，来检测由“仿真信号仿真信号”Express VI发生的信号（正弦发生的信号（正弦与均有噪声）中与均有噪声）中是否含有周期成分（是否含有周期成分（路径为：路径为：“函数函数”选板选板“信号处理信号处理”“”“波形生成波形生成”“”“仿真信号仿真信号”）。）。测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（1313）相关分析（相关分析（b b）测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（1414）曲线拟合（曲线拟合（a a）在基于计算机实现的测量过程中，为充分利用测得数据，在基于计

17、算机实现的测量过程中，为充分利用测得数据，并减小可能的测量误差，经常要对测得结果进行所谓曲线拟合。并减小可能的测量误差，经常要对测得结果进行所谓曲线拟合。曲线拟合的主要作用有：曲线拟合的主要作用有：1）消除测量噪声；）消除测量噪声；2）填充丢失的采样点（例如，如果一个或多个采样点有丢）填充丢失的采样点（例如，如果一个或多个采样点有丢 失，或记录不正确）；失，或记录不正确）；3）插值（对采样点之间被测对象可能的取值做出估计）；插值（对采样点之间被测对象可能的取值做出估计）；4）外推（对采样范围之外被测对象可能的取值进行估计）；）外推（对采样范围之外被测对象可能的取值进行估计）；5）求解某个基于离散数据的被测对象的速度轨迹（一阶导数）求解某个基于离散数据的被测对象的速度轨迹（一阶导数 ）和加速度轨迹（二阶导数）等。）和加速度轨迹（二阶导数）等。测量信号的分析与处理（测量信号的分析与处理（1515）曲线拟合（曲线拟合（b b）找到找到曲线拟合曲线拟合Express VI的路径：的路径：“函数函数”选板选板“数学数学”“拟拟合合”“曲线拟合曲线拟合”（或或“函数函数”/”/“Express”/“Express”/“信号分析信号分析”）。）。（View as Icon）