測量信號的分析與處理課件

測量信號的分析與處理1測量信號的分析與處理（1）因測量環(huán)境中常存在各種可能的干擾量，故實(shí)際測量中采集到的信號往往不僅是所關(guān)心的信號本身，而還伴有不希望的其它成分。對采集信號的分析與處理，即指如何有效地將采得的數(shù)字化信號中的各種干擾消除掉，或最大程度地將其削弱，從而得到（提取出）所關(guān)心的有用信號。2測量信號的分析與處理（2）經(jīng)“函數(shù)”選板->Express

->“信號分析”途徑，可找到13個用于信號分析與處理的用ExpressVI。由此途徑可找到的用于信號分析與處理的快速

VI即ExpressVI，大多由基本函數(shù)構(gòu)成。其實(shí)，LabVIEW提供有很多可用于信號分析與處理的VI。即除上述快速VI外，另外經(jīng) “函數(shù)”選板

-> “信號處理”途徑，還可找到更多用于信號分析與處理3的功能函數(shù)。測量信號的分析與處理（3）隨著LabVIEW版本的不斷翻新，為更便于用戶的使用，LabVIEW將函數(shù)類型豐富為了三種，即：基本函數(shù)、波形函數(shù)以及Express

VI。另一途徑：“函數(shù)”選板

-> “信號處理4測量信號的分析與處理（4）幅度和相位頻譜。實(shí)施測量任務(wù)時，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采到的是時域波形的抽樣信號——采樣信號。在時域可分析處理信號的時域特征，如隨時間的變化趨勢、大小，等等。而被測信號也有頻率特征，如其中含有不同頻率成分等。為分析信號的頻率特征，需要將獲得的時域波形的采樣信號轉(zhuǎn)換到頻域去分析處理。在頻域分析信號的基本方法是傅立葉變換法，其快速實(shí)現(xiàn)方法又稱FFT，且由它逐漸派生出很多種用于在頻域分析處理信號的功能函數(shù)。對信號進(jìn)行頻域分析（包括頻譜分析和掃頻分析），能獲得在時域測量中得不到的頻率特征信息，如諧波分量、寄生、交調(diào)、噪聲邊帶等。對被測信號進(jìn)行FFT變換舉例（A）例如，產(chǎn)生一個周期信號，然后對它做FFT，可以得到其5測量信號的分析與處理（5）對被測信號進(jìn)行FFT變換舉例（B）現(xiàn)象：幅度譜存在有“泄漏”現(xiàn)象。這是因?yàn)椴杉降谋粶y信號的樣本數(shù)有限。增加樣本數(shù)，情況會有所改善，但不能完全消除。“函數(shù)”選板->“信號處理”->“波形生成”->“仿真信號”“函數(shù)”選板->“信號處理”->“波形測量”->“頻譜測量”6測量信號的分析與處理（6）為減少頻譜泄漏，可采用變化相對緩慢的非矩形窗函數(shù)對被測信號進(jìn)行截?cái)?；這被稱為給被測信號“加窗”。給被測信號“加窗”（a）基于計(jì)算機(jī)構(gòu)建的虛擬儀器只能分析/處理有限長的數(shù)字信號，如此，被測信號x(t)以T（采樣時間或采樣長度）被截取一段送入計(jì)算機(jī)，就稱為被截?cái)?，相?dāng)于加了“矩形窗”——將信號突然截?cái)?，致使在很寬頻率范圍內(nèi)向被測信號中添加了另外的成分。附加頻率成分不屬于x(t)，被稱為“頻譜泄漏”。頻譜泄漏會帶來如下問題：①使信號的頻域曲線上產(chǎn)生許多“皺紋”、頻率分辨率降低；②如果信號為幅值一大一小、頻率很接近的兩正弦波信號的合成，因泄漏，在頻域，幅值小信號可能被“淹沒”；③所關(guān)注信號的頻率f0附近的頻率特性曲線部分可能過于平緩，致使無法準(zhǔn)確確定f0的值。7測量信號的分析與處理（7）給被測信號“加窗”（b）在實(shí)際應(yīng)用中，如何選擇窗函數(shù)？要仔細(xì)分析被測信號的特征，再結(jié)合希望達(dá)到的目的，并可能要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)。窗函數(shù)有多種，如漢寧窗、海寧窗、余弦窗（多種）、布萊克曼窗，等等，它們各有特點(diǎn)；若使用不當(dāng)，甚至可能帶來負(fù)面效應(yīng)。使用窗函數(shù)的原由很多，例如：（1）限定測量的持續(xù)時間；（2）減少頻譜泄漏；（3）將頻率接近、幅值不同的信號成分分離出來。舉例：把頻率接近、幅值不同的兩個正弦信號相互分離提取出來。經(jīng)過途徑

“幫助”\“查找范例”\“信號分析和處理”\“FFT和頻率分析”\Window

Comparison.vi

可找到這個例8

子。測量信號的分析與處理（8）給被測信號“加窗”（c）“幫助”\“查找范例”\“信號分析和處理”\“FFT和頻率分析”\Window

Comparison.vi9測量信號的分析與處理（9）Chirp信號及其頻譜（一）Chirp信號又稱線性調(diào)頻信號，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：F(t)=sin(a*t2+b*t)

其中，設(shè)t為時間變量；調(diào)節(jié)參數(shù)a和b，可得到幅值恒定、頻率連續(xù)變化（在一定頻率范圍內(nèi)）的一個“正弦”信號。LabVIEW提供有此函數(shù)。舉例：調(diào)用Chirp函數(shù)，并觀察它的時域和頻域特性。從途徑“函數(shù)”選板\ “信號處理”\ “信號生成”\Chirp 信號.vi

可得到這個函數(shù)。注意：利用已給定的缺省值（默認(rèn)值）為宜，觀察效果好。10Chirp信號及其頻譜（二）F(t)=sin(a*t2+b*t)11測量信號的分析與處理（10）數(shù)字濾波（a）數(shù)字濾波是信號分析與處理的重要步驟，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在一些需要靈活性和編程能力的領(lǐng)域它已取代了模擬濾波器。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器有下列優(yōu)點(diǎn)：1）可用軟件編程，設(shè)計(jì)、修改、優(yōu)化均十分方便、快捷；2）穩(wěn)定性好，濾波性能可預(yù)測；3）不因溫度、濕度等影響產(chǎn)生誤差，不需高精度元器件；4）具有較高的性能價格比。舉 例：用“仿真信號”函數(shù)（ExpressVI）發(fā)生一個幅值為1、頻率為10Hz的方波信號，并且疊加幅值為0.1的白噪聲。把此信號送給數(shù)字濾波器處理，希望僅得到方波信號中的正弦基波信號；并顯示出濾波前后的信號（查看濾波效果）。12測量信號的分析與處理（11）數(shù)字濾波（2）“函數(shù)”選板

->

“信號處理”

->

“波形調(diào)理”->“濾波器”13測量信號的分析與處理（12）相關(guān)分析（a）為實(shí)現(xiàn)對被測信號的有效檢測、識別和提取，對被測信號進(jìn)行分析處理中，經(jīng)常要研究兩個信號的相似性，或一信號經(jīng)過

一段延遲后其自身的相似性。這就要對信號進(jìn)行“相關(guān)”分析。相關(guān)函數(shù)是描述隨機(jī)函數(shù)的重要統(tǒng)計(jì)量。相關(guān)分析又分“互相

關(guān)”和“自相關(guān)”。例如通過對一個信號進(jìn)行自相關(guān)分析，可

從噪聲很強(qiáng)的信號中檢測出是否含有周期成分。舉例：選用“卷積和相關(guān)”Express VI（路徑是“函數(shù)”選板\“信號處理”\“信號運(yùn)算”\“卷積和相關(guān)”）中的自相關(guān)函數(shù)，來檢測由“仿真信號”

Express

VI發(fā)生的信號（正弦與均有噪聲）中是否含有周期成分（路徑為：“函數(shù)”選板\“信號處理”\“波形生成”\“仿真信號”）。14測量信號的分析與處理（13）相關(guān)分析（b）15測量信號的分析與處理（14）曲線擬合（a）在基于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的測量過程中，為充分利用測得數(shù)據(jù)，

并減小可能的測量誤差，經(jīng)常要對測得結(jié)果進(jìn)行所謂曲線擬合。曲線擬合的主要作用有：消除測量噪聲；填充丟失的采樣點(diǎn)（例如，如果一個或多個采樣點(diǎn)有丟失，或記錄不正確）；插值（對采樣點(diǎn)之間被測對象可能的取值做出估計(jì)）；外推（對采樣范圍之外被測對象可能的取值進(jìn)行估計(jì)）；求解某個基于離散數(shù)據(jù)的被測對象的速度軌跡（一階導(dǎo)