虚拟仪器技术_8 （信号分析与处理）.ppt

主要内容 一、概述 二、LabVIEW中的分析工具 三、信号发生 四、频域分析 五、数字滤波 六、时域分析 七、曲线拟合 一、概述 信号处理作用： 决定系统的脉冲响应或传递函数 计算信号的幅频特性 消除测量噪声 系统建模 二、 LabVIEW中的分析工具 谱测量：功率谱、功率密度谱 电压测量：直流分量、峰峰值 曲线拟合：线性、二次、最小二乘 滤波器：低通、带通、带阻 统计：均值、方差 卷积与相关：卷积、反卷积、自相关 三、应用 1. 仿真信号产生(Signal Generation)： 可以根据设定的参数来产生正弦波、三角波、方波等15种仿真波形。主要用于模拟信号输出。 1. 仿真信号产生 基本函数发生器：可以产生正弦波、锯齿波、方波和三角波，并可以设定波形的幅值、频率和相位。 实例 1. 仿真信号产生 公式波形发生器：可以按照用户编辑的公式产生波形数据。 实例 2. 频域分析(Frequency Domain) ，可以求出时域信号对应的谱图、互功率谱、FFT等频域运算。 快速傅立叶变换：信号的时域显示转换为频域显示。它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。 FFT Spectrum (Mag-Phase):求时间信号的平均FFT谱，其结果表示为幅度谱和相位谱 实例：求两个波形的频率和相位差 从频率接近的信号中分离出幅值不同的信号 Examples Analysis Windxmpl.lib Window Comparison.vi 滤波器的一般设计过程 实例 实例 相关: 指信号有明显的规律性，即在时间轴上任意间隔的两个时刻的取值均有相同的符号。 说明 对应的两两相乘总为正，求其均值的数值大，故相关性好。反之，若间隔的两个时刻的取值、没有明显的规律性，即符号有时相同有时相反，则对应两两相乘的乘积有时为正有时为负，求其均值，由于乘积相互抵消，均值的数值小，故相关性差。 自相关函数 AutoCorrelation.vi 实例 曲线拟合的应用 消除测量噪声 填充丢失的采样点 差值（对采样点之间的数据进行估计） 外推（对采样范围之外的数据进行估计） 求解某个基于离散数据对象的速度轨迹和加速度轨迹 最小二乘法：假定y(n)是一组测量值，f(n)是相应的拟合值，mse为均方差 则拟合的准则是使mse最小 实例 Pulse Measurements.vi 被测信号 周期 占空比 脉冲宽度 数组或波形数据结构 自相关：自相关函数描述的是随机信号在时间间隔为τ的任意两个时刻 t 与 t+τ 的取值 x(t) 与 x(t+τ) 的相关性。 信号x(t) 的自相关函数定义如下： 自相关函数估计值的离散时间表达式 自相关函数的应用 利用自相关函数图有利于检测和识别淹没在随机噪声中的周期信号。 τ=0时的自相关值是自相关函数的最大值，且等于均方值。 采用自相关函数可以求取正弦信号的幅值。 当τ=0 有 信号X(t)的N个采样值，数组 信号X(t)的自相关函数计算结果，数组，有2N-1个值 5. 曲线拟合：对于一组数据 求取y与x 的关系y=f (x) * 第十讲 信号分析与处理 * 采样周期 信号周期 信号周期与采样周期 Formula:用户输入公式，用户输入的公式是以字符串的形式传递的，变量中，f表示波形的频率，a表示波形的幅值，ω表示波形的角频率， ω =2πf，其他语法与c语言相似 输入时域信号 幅值 相位 计算机只能处理有限长度的信号，原始信号要以（采样时间或采样长度）截断，即有限化。有限化也称为加“矩形窗”或“不加窗”。 矩形窗将信号突然截断，这在频域造成很宽的附加频率成分，这些附加频率成分在原信号x(t)中其实是不存在的。一般将这一问题称为有限化带来的泄露问题。 泄露使得原来集中在f0上的能量分散到全部频率轴上。泄露带来许多问题： ①使频率曲线产生许多“皱纹”（Ripple），较大的皱纹可能与小的共振峰值混淆； ②如信号为两幅值一大一小频率很接近的正弦波合成，幅值较小的一个信号可能被淹没。 ③f0附近曲线过于平缓，无法准确确定f0的值。 但是在多数情况下，又不得不在分析信号时用有限长的窗对信号进行截短。因此，为了保证频谱的分析精度，必须研究如何减少加窗时造成的泄漏误差。 泄漏的产生主要是矩形窗边界的突变特性造成的，它的急剧变化将在频域内引入许多高频分量。如果用边缘变化平缓的其它窗函数代替矩形窗，则可减小泄漏的产生。 谐波信号分析：当一个含有单一频率(比如f1)的信号x(t)通过一个非线性系统时，系统的输出不仅包含输入信号的频率（f1），而且包含谐波分量（f2=2f1, f3=