第5講 基于LabVIEW的信號處理

第五講

基于LabVIEW的信號處理信號處理在各個行業(yè)的應(yīng)用汽車：噪聲定位機(jī)電：機(jī)器監(jiān)測能源：管道監(jiān)測信號處理SignalProcessing通訊：信道消噪生物：醫(yī)電分析回顧:一種典型的虛擬儀器系統(tǒng)信號采集分析表達(dá)信號處理為什么需要信號處理功率分析頻率測定濾除多余成分…信號處理函數(shù)信號處理函數(shù)信號處理函數(shù)Vrms2

500Hz完美的正弦曲線輸入信號信號處理的系統(tǒng)流程預(yù)處理信號分析數(shù)據(jù)采集參數(shù)測量域變換建模選擇合適的信號處理算法交互顯示信號預(yù)處理信號預(yù)處理的目的降噪、去直流、去漂移等量綱、物理量轉(zhuǎn)換常用的信號預(yù)處理方法包括移動平均濾波積分、微分重采樣…預(yù)處理參數(shù)測量域變換建模信號預(yù)處理——降噪信號噪聲一般指信號中的高頻次要部分常用降噪方法移動平均低通濾波小波降噪移動平均移動平均是一種特定的低通濾波器，去除信號中的高頻噪聲平均長度越長，截止頻率越低低頻幅度有一定的衰減移動平均對信號幅度的影響低頻幅度有一定的衰減，衰減程度隨平均長度的增加而增大低通濾波器設(shè)計(jì)使用濾波器設(shè)計(jì)ExpressVI設(shè)計(jì)低通濾波器，用于去除高頻噪聲可靈活調(diào)整濾波器的頻響，以去除高頻噪聲同時(shí)又盡可能保持低頻成分的幅度濾波器ExpressVI

選擇濾波器類型低通高通帶通帶阻平滑

選擇濾波器規(guī)范截止頻率

FIR或IIR

階數(shù)

直觀顯示效果便于調(diào)整參數(shù)達(dá)到理想效果LabVIEW中的數(shù)字濾波器函數(shù)關(guān)于各種數(shù)字濾波器的特點(diǎn)和參數(shù)影響不是本課程關(guān)注的重點(diǎn)，可參考《數(shù)字信號處理》課程及相關(guān)參考書最簡單的:濾波器ExpressVI濾波器函數(shù)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包*軟件濾波與硬件濾波硬件濾波在上一課中我們提到“濾波”是一類重要的信號調(diào)理手段通過模擬電路直接對模擬信號進(jìn)行處理，在數(shù)字化采樣之前發(fā)生軟件濾波這節(jié)課我們所討論的內(nèi)容已經(jīng)經(jīng)過了采樣和數(shù)字化，通過軟件對數(shù)字信號進(jìn)行處理兩者比較軟件濾波配置簡單，幾乎無成本，隨時(shí)間無老化效應(yīng)硬件濾波不需要占用處理器資源軟件濾波可能在某些噪聲條件下效果較差兩者可能同時(shí)使用降噪的挑戰(zhàn)–寬頻、時(shí)變、多尺度移動平均和低通濾波不適用于寬頻、時(shí)變、多尺度信號的降噪小波降噪基于小波的降噪方法適合于寬頻、時(shí)變、多尺度信號的降噪降噪方法比較移動平均低通小波去除成分高頻高頻有選擇地去除高頻幅頻響應(yīng)類型低通濾波低通濾波低通并保留高頻幅度較大部分（非線性）過渡帶較長(與平均長度有關(guān))可控(與濾波器設(shè)計(jì)有關(guān))與小波類型有關(guān)低頻衰減較大(與平均長度有關(guān))可控(與濾波器設(shè)計(jì)有關(guān))與小波類型有關(guān)優(yōu)勢簡單易用性能可控非平穩(wěn)信號效果好使用LabVIEW做信號預(yù)處理的優(yōu)勢豐富的函數(shù)濾波器設(shè)計(jì)、重采樣、抽樣、插值、去直流、曲線擬合、小波降噪、小波去趨勢、時(shí)變?yōu)V波等等LabVIEW交互式的環(huán)境便于完成需要反復(fù)試驗(yàn)(Trialanderror)的預(yù)處理任務(wù)圖形化編程VI前面板調(diào)試探針(Probe)ExpressVI參數(shù)測量頻率、周期與相位直流分量、有效值(RMS)脈沖參數(shù)：占空比、超調(diào)比等總諧波失真(THD)、SINAD振動級、聲壓級諧振頻率、阻尼預(yù)處理參數(shù)測量域變換建模參數(shù)測量的應(yīng)用電聲設(shè)備特性測量音箱、耳機(jī)、麥克風(fēng)、功放等頻響、THD等參數(shù)土木與機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)特性測量諧振頻率、阻尼其他應(yīng)用汽車生產(chǎn)線自動質(zhì)量控制系統(tǒng)參數(shù)測量例1——頻譜測量可交互式地對參數(shù)進(jìn)行配置（如選擇不同的窗函數(shù)等）需要加窗的原因——頻譜泄漏實(shí)際信號采樣之后進(jìn)行頻譜分析時(shí)需要考慮頻譜泄漏的問題沒有以整數(shù)周期進(jìn)行采樣的信號生成高頻不連續(xù)成分，從而導(dǎo)致頻譜泄漏頻譜泄漏導(dǎo)致頻率測量失真，因?yàn)椴贿B續(xù)部分的高頻能量會在頻譜擴(kuò)散不連續(xù)1個周期頻譜泄漏整數(shù)周期—無泄漏非整數(shù)周期—泄漏加窗可減少頻譜泄漏對頻譜分析的影響加窗可加強(qiáng)信號部分，減弱其它部分加窗可以將不連續(xù)部分的幅值最小化減少頻譜泄漏加窗對幅值和相位的效果、不同窗函數(shù)的影響效果等內(nèi)容可參考《數(shù)字信號處理》課程或相關(guān)參考書參數(shù)測量例2——FRF一個函數(shù)完成一臺傳統(tǒng)頻譜分析儀的主要功能系統(tǒng)的激勵和響應(yīng)信號作為輸入，直接輸出系統(tǒng)的FRF加窗、平均、H1、H2、H3等設(shè)置直接在LabVIEW前面板顯示頻響函數(shù)參數(shù)測量例3——正弦參數(shù)提取傳統(tǒng)方法功率峰值法：精度受頻譜泄漏和譜線密度影響零點(diǎn)檢測法：精度受噪聲影響LabVIEW中使用的三點(diǎn)法專利技術(shù)消除頻譜泄漏影響高精度Demo使用LabVIEW做參數(shù)測量的優(yōu)勢LabVIEW的函數(shù)專門針對工業(yè)應(yīng)用函數(shù)功能強(qiáng)大，調(diào)用現(xiàn)成VI完成參數(shù)測量任務(wù)隱藏底層算法，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置方式包含單位量綱，自動給出測量結(jié)果的量綱域變換變換是信號處理的精髓換個角度看問題變換可能使得信號的隱藏特征顯而易見常用變換域頻域尺度域時(shí)頻域角度域預(yù)處理參數(shù)測量域變換建模信號按時(shí)頻特征分類頻率時(shí)間短時(shí)寬帶信號長時(shí)間持續(xù)的窄帶信號短時(shí)窄帶信號時(shí)變信號選擇合適的變換域傅立葉變換小波變換聯(lián)合時(shí)頻角度(階次)域tfLabVIEW變換函數(shù)的特點(diǎn)功能全面FFT、Hilbert變換、Hartley變換、WalshHadamard變換、聯(lián)合時(shí)頻率變換、小波變換函數(shù)設(shè)計(jì)針對在線應(yīng)用函數(shù)運(yùn)算速度足夠快函數(shù)自動處理相鄰信號塊的銜接問題例：OnlineGaborTransform、OnlineGaborExpansionLabVIEW中時(shí)頻分析的應(yīng)用舉例深海中虎鯨的叫聲…演示建模分析應(yīng)用1.系統(tǒng)識別控制器設(shè)計(jì)預(yù)測狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用2.隨機(jī)信號參數(shù)建模預(yù)處理參數(shù)測量域變換建模系統(tǒng)辨識工具包隨機(jī)信號建模自回歸模型(AR)確定部分(用模型系數(shù)表示)隨機(jī)部分(建模殘差)AR建模應(yīng)用實(shí)例-硬盤異音自動檢測GoodPitchCrackZee在實(shí)際生產(chǎn)線上，可以通過AR建模殘差的大小來檢測故障在實(shí)際的信號處理應(yīng)用中使用LabVIEW與硬件無縫連接易于獲取真實(shí)數(shù)據(jù)，隨后直接進(jìn)行信號處理針對在線信號處理的函數(shù)接口設(shè)計(jì)交互式地直接調(diào)試