重庆大学机械工程学院研究生工程信号处理实验报告

1、重 庆 大 学学 生 实 验 报 告实验课程名称 工程信号处理 开课实验室 综合实验大楼329 学 院 机械 年级2014专业班 机电1班 学 生 姓 名 汶 睿 学 号 20120713094t 开 课 时 间 2014 至 2015 学年第 一 学期总 成 绩教师签名机械工程学院制工程信号处理实验报告 开课实验室：综合实验大楼329 时间：2014年 11月 25 日学院机械工程学院2014级机电1班机电一班姓名汶睿成绩课程名称工程信号处理实验项目名 称工程信号处理指导教师汤宝平教师评语教师签名：年 月 日实验一 数据采集与波形显示一、实验目的 1 加深对A/D转换原理及采样定理的理解 2

2、 掌握几种常用的采样触发方式 3 掌握采样参数的选择方法二、实验原理1）模数转换及其控制模数转换三个步骤：（1）采样，（2）量化，（3）编码。模拟信号经过三步转换后，变在了时间上离散，幅值上量化的数字信号。2）信号采集的参数选择采样频率：采样频率是采样时间T的倒数；采样频率越高，信号的复原性越好，但数据量会剧增。根据采样定理，采样频率fs最小必须大于或等于信号中最高频率fc的2倍，即fs2fc。在实际分析中，一般取fs=(510)fc。采样点数：进行时域分析时，采样点数尽可能多一些，采样点数越多信号越容易复原。进行频域分析时，为了快速傅里叶变换（FFT）计算的方便，采样点数一般取2的幂数，如5

3、12、1024、2048、4096等。有许多信号处理设备固定取为1024点。触发方式：触发信号是启动A/D开始采样的信号，触发方式选择即选择不同形式的触发信号。一般有手动触发、电平触发、外触发等方式。三、 使用仪器、材料1）信号发生器2）测试传感器与预处理器3）数据采集器4）数据采集与波形显示软件四、实验步骤1）连接仪器如下图所示2）选择仪器上示波功能进行信号采集并同步显示3）选择仪器的数据采集功能进行手动触发、外触发等信号采集五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)1）数据采集示意图 图1 较低采样频率采获的正弦波形 图2 较高采样频率采获的正弦波形 图3 外触发方式采集脉冲信号示意图六、

4、实验结果及分析1对瞬变信号采用什么采样触发方式采集比较合适？ 对瞬变信号采用预触发方式最合适，因为预触发方式在信号到来之前就进行采样，可以采集到信号的完整信息，而其他几种方式都不具备这个能力。2做数据记录时，记录所花的时间与哪些参数有关？ 记录所花的时间与采样频率和采集点数有关；根据fs=1/t,T=N*t，可得T=N/fs。即采集时间与采集点数成正比，与采样频率成反比。实验二 时域,幅值域及时差域幅分析一、实验目的 1 掌握信号的时域波形分析，数据统计特征值的计算方法 2 掌握信号的概率密度函数及其应用 3 理解信号的相关函数的性质及其应用二、实验原理1）信号统计量计算方法1、均值2、均方值

5、3、方差2）概率密度函数 信号的概率密度函数是表示信号幅值落在指定区间内的概率。定义为。3）相关函数分析 实能量信号相关函数定义如下：自相关函数 互相关函数 三、实验步骤1）分析典型周期信号的相关性和概率密度函数2）分析随机信号的相关性和概率密度函数3）分析两个信号的互相关性质四、实验过程记录1）典型周期信号分析 图1 周期正弦信号及其频谱幅值 图2 周期矩形信号及其频谱幅值 图3 周期正弦信号概率密度函数 图4 周期矩形信号概率密度函数 图5 正弦信号自相关函数 图6 矩形信号自相关函数2）随机信号分析 图7 随机信号幅值谱 图8 随机信号概率密度函数 图9 随机函数自相关函数3）两个信号的

6、互相关分析 图10 两个同频率正弦信号互相关函数 图11 两个不同频率正弦信号互相关函数 图12 两个随机信号互相关函数五、实验结果及分析1、均值、均方值、方差三者之间有何关系？ 均值、均方值、方差三者之间具有如下关系：，描述了信号的波动量，对应电信号中交流成分的功率；描述了信号的静态量，对应电信号中直流成分的功率。2、典型信号的概率密度函数图形特点有哪些？平稳随机信号的概率密度函数服从什么分布？ 正弦信号的概率密度函数是偶函数，在零点概率最小，在峰值概率最大，这是因为正弦信号在经过零值时变化最快，在到达峰值时变化最慢，因此具有这种特征。矩形信号只有两个离散的取值，故其在峰值的概率为0.5，在

7、其他取值的概率为0。平稳随机信号的概率密度呈正态分布。3、自相关函数的性质有哪些？互相关函数的性质有哪些？ 自相关函数是关于时间的偶函数，在=0时取最大值，且等于该信号的均方值。周期信号的自相关函数仍是同频率的周期信号，但丢失相位信息。随机信号的自相关函数随着的增大很快衰减至零。 互相关函数是非奇非偶函数。两周期信号的互相关函数仍然是同频率的周期信号，但保留了原信号的相位差信息。两个不同频周期信号互不相关。实验三 频谱分析一、实验目的 1信号频谱的分析方法 2学习用FFT分析仪对信号进行频谱分析二、实验原理 傅立叶变换法是对平稳信号进行频域分析的有效手段。变换公式如下： 实际上信号不可能为无限

8、长，需对信号进行加窗截断，即用有限长度的时窗函数与信号相乘：，在频域上相当于原信号与窗函数的频谱做卷积。 频谱细化分析是根据傅里叶变换的频移性质，原先f=f0的频谱变为零频，原f0附近的较高频率的谱分量变为低频成分。经低通滤波后，可采用较低的采样频率对原数据进行数据重抽，使频谱分辨力提高即频率细化。 信号x(t)的希尔伯特变换（Hilbert Transform）定义为，解析信号定义为： 因此窄带信号x(t)的包络函数为： 三、实验步骤1）对周期信号进行FFT分析其幅值谱2）分析随机信号的自功率谱密度3）对频谱成分密集的信号进行频谱细化分析4）信号解调分析四、实验过程记录1）周期信号FFT分析

9、图1 锯齿周期信号的FFT分析2）随机信号自功率谱分析图2 随机信号自功率谱3）频谱细化分析 图3 细化前频谱图 图4 主频细化后频谱图4）解调分析图5 解调分析后的包络波形五、实验结果及分析1. 周期信号频谱有何特征？ 周期信号的频谱是离散的谱图，每条离散谱线只出现在基频谱线的整数倍上，基频谱线是各高次谐波频率分量的公约数。2. 频谱细化分析的意义？ 由于傅里叶变换具有栅栏效应，不能精确的定位频谱成分的位置，因此有可能造成频谱上的能量泄漏到旁边的谱线上。频谱细化可以提高频率分辩率，克服栅栏效应造成的频谱失真。3. 调制、解调的作用是什么？ 在通讯系统中，携带信息的有用信号一般是低频带的基带信

10、号，在进行信息传输时，为了提高抗干扰性、实现信道复用，需要进行信号调制；而解调则是从调制信号中恢复出原信号的过程，它与调制紧密相连，根据具体的调制方法进行对应的逆变换。4试讨论信号加窗截断对信号频谱的影响，并说明如何修正？ 信号加窗等效于两个信号相乘，在频域上相当于两个信号的频谱做卷积运算，因此会产生频谱泄漏，降低了频率分辩力。为了使其影响降到最低，应采用旁瓣小，主峰窄的窗函数进行频谱分析。实验四 传递相干分析 一、实验目的 1掌握系统传递函数的测定方法及其估算方法 2熟悉传递函数的多种表现形式及其应用 3掌握相干函数计算方法及其应用二、实验原理 传递函数是用系统的输出信号与输入的信号的关系来

11、研究系统的动态响应特性，计算式如下： 在右式的上下各乘以的共轭复数，则如下式计算： ，分母为输入信号的自功率谱函数，分子为输出和输入的互谱。 相干函数定义如下：，式中为互谱，为输入自谱，为输出自谱。可以证明：。三、实验步骤1）对双通道信号进行传递函数分析2）对双通道信号进行相干函数分析四、实验过程记录1）传递函数分析 图1 低通系统传递函数增益特性 图2 低通系统传递函数相位特性图3 低通系统脉冲响应函数 图4 低通系统传递函数实部 图5 低通系统传递函数虚部 图6 低通系统伯德图 图7 低通系统奈奎斯特图2）相干分析 图8 相干函数谱图 图9 相干输出谱密度图五、实验结果及分析1对系统的输入

12、和输出信号采集作传递函数分析时，是否要求同步采集？对采集器有何要求。 要求同步采集，若采集器不同步，则会使传递函数相位谱失真。2传递函数有几种表示形式，每种形式有何作用？ 传递函数有四种表示形式，表示输入输出的互功率谱除以输入信号的自功率谱；，表示输出信号的自功率谱除以输入输出的互功率谱；，表示由前两种形式的算术平均值；，表示前两种形式的几何平均值。3相干函数的作用是什么？ 相干函数又称为凝聚函数，在系统辨识中可以判明输出与输入的关系。当其值为0时，表明两信号不相干，即输出不是由输入引起的；当其值为1时，说明输出与输入完全相关；当其值介于0到1之间时，说明有噪声干扰或系统是非线性的。实验五 小

13、波分析 一、实验目的 1理解小波变换的变焦特性 2通过各种小波变换的结果了解小波分析的原理 3了解不同母小波的选择对小波变换结果的影响 4了解小波分解及其识别微弱奇异信号的能力三、实验步骤1）观察小波的变焦特性2）连续小波变换实验3）小波分解实验4）小波包分解实验5）小波包分解识别微弱奇异信号四、实验过程记录 图1 墨西哥小波及其尺度变化特性 图2 Mayer小波及其尺度变化特性 图3 方波信号用墨西哥小波进行连续变换 图4 方波信号用Mayer小波进行连续变换 图5 变频信号时行连续小波变换 图6 方波信号用Daubiches10小波进行分解 图7 方波信号用Mayer小波时行分解 图8 用小波分解识别微弱厅