工程测试技术43

1、工程测试技术工程测试技术第四章第四章信号处理信号处理本章学习要求：本章学习要求：了解模拟信号放大电路原理；了解模拟信号放大电路原理；了解信号调制、解调原理；了解信号调制、解调原理；了解信号滤波器工作原理；了解信号滤波器工作原理；了解信号模数转换和数模转换原理；了解信号模数转换和数模转换原理；掌握信号采样定理，能正确选择采样频率；掌握信号采样定理，能正确选择采样频率；了解数字信号处理中信号截断、能量泄露、了解数字信号处理中信号截断、能量泄露、栅栏效应等现象；栅栏效应等现象；1. 掌握常用的数字信号处理方法。掌握常用的数字信号处理方法。华中科技大学材料学院工程测试技术 2本章目录本章目录4.1 概

2、述（2学时）4.2 信号放大4.3 调制与解调4.4 信号的滤波（4学时）4.5 数字信号处理概述4.6 模数(A/D)和数模(D/A)转换4.7数字信号处理中几个基本概念（数字信号处理中几个基本概念（2学时）学时）4.8数字滤波、数据压缩数字滤波、数据压缩4.9信号的输出信号的输出华中科技大学材料学院工程测试技术 34.7数字信号处理中几个基本概念数字信号处理中几个基本概念数字信号处理的主要数学工具是傅里叶变换，应注意到，傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系。然而，当运用计算机实现工程测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片断进行分析。离散时间傅氏变换使我

3、们能够在频域（数字频域）分析离散时间信号的频谱和离散系统的频响特性，但至今还存在两个实际问题：1. 数字频率=T是一个模拟量，为了便于今后用数字的方法进行分析和处理，仅仅在时域将时间变量t离散化还不够，还必须在频域离散化。2. 实际的序列大多为无限长的，为了分析和处理的方便，必须把无限长序列截断或分段，化作有限长序列来处理。华中科技大学材料学院工程测试技术 44.7.1DFT与与FFT的基本概念的基本概念 对于无限连续信号的傅里叶变换共有四种对于无限连续信号的傅里叶变换共有四种情况情况：l 对于非周期连续信号x(t)，频谱X(f)是连续谱； 对于周期离散的时间序列，其频谱也是周期离散的 。 对

4、于非周期离散信号，其傅里叶变换是一个周期性的连续频谱； 对于周期连续信号，傅里叶变换转变为傅里叶级数，因而其频谱是离散的；华中科技大学材料学院工程测试技术 5结论： 若x(t)是周期的，频域中X(f)必然是离散的，反之亦然。 若x(t)是非周期的，则X(f)一定是连续的，反之亦然。 第四种亦即时域和频域都是离散的信号，且都是周期的，给我们利用计算机实施频谱分析提供了一种可能性。 对这种信号的傅里叶变换，我们只需取其时域上一个周期（N个采样点）和频域一个周期（同样为N个采样点）进行分析，便可了解该信号的全部过程。华中科技大学材料学院工程测试技术 62.DFT的定义与意义的定义与意义定义：定义：对

5、有限长度的离散时域或频域信号序列进行傅里叶变换或逆变换，得到同样为有限长度的离散频域或时域信号序列的方法，便称为离散傅里叶变换DFT或其逆变换IDFT。意义：意义：可以对任意连续的时域信号进行采样和截断并对其作离散傅里叶变换的运算，得到离散的频谱，该频谱的包络即是对原连续信号真正频谱的估计。离散傅里叶变换的过程：离散傅里叶变换的过程：l时域采样；l时域截断；l频域采样。华中科技大学材料学院工程测试技术 73.DFT的公式的公式DFT的计算公式：的计算公式：式中：x(n)和X(k)分别为 和 的一个周期，此处将t和f0均归一化为1。 nkNNonNonnkNjWnxenxkX112 11211N

6、oKNoKnkNnkNjWkXNekXNnxNjNeW2)( tnx)(0kfX华中科技大学材料学院工程测试技术 8根据离散傅里叶变换的计算公式：可知N个点的X(k)需做N2次复数乘法和N(N-1)次复数加法。而做一次复数乘法需要做四次实数相乘和两次实数相加，做一次复数加法需要做两次实数相加。 例：N=1024时，则需要总共1,048,576次复数乘，即4,194,304次实数乘法。4.快速傅里叶变换快速傅里叶变换(FFT) NjNNonnkNNonnkNjeWWnxenxkX2112,华中科技大学材料学院工程测试技术 9充分利用因子WN的周期性和对称性。l对称性： l周期性：避免重复运算，将

7、长序列的DFT分割为短序列的DFT的线性组合，从而达到整体降低运算量的目的。效果：效果：使原来的N点DFT的乘法计算量从N2次降至为N/2log2N次，如N=1024，则计算量现在为5120次，仅为原计算量的4.88% 。5.FFT算法的本质算法的本质nkNNnkNWW2nkNnkNNWW华中科技大学材料学院工程测试技术 104.7.2信号的截断、泄漏与窗函数信号的截断、泄漏与窗函数1.信号截断信号截断用计算机进行测试信号处理时，不可能对无用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析，这个过程称信号片

8、段进行分析，这个过程称信号“截断截断”或“加加窗窗”。 在信号处理中，截断被看成是用一个有限长的“窗门”看无限长的信号，从分析的角度是无限长的信号x(t)乘以有限长的窗函数w(t)，由傅里叶变换性质可知：x(t)w(t)=X(f)*W(f)华中科技大学材料学院工程测试技术 112.频谱能量泄漏频谱能量泄漏如果x(t)是频宽有限信号，而w(t)是频宽无限函数，截断后的信号也必是频宽无限信号，从而产生所谓的频谱能量泄漏。将截断信号谱将截断信号谱XT()与原始信号谱与原始信号谱X()相比较相比较可知，它已不是原来的两可知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的条谱线，而是两段振荡的连续谱。原来集中在

9、连续谱。原来集中在f0处处的能量被分散到两个较宽的能量被分散到两个较宽的频带中去了，这种现象的频带中去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。称之为频谱能量泄漏。华中科技大学材料学院工程测试技术 123.抑制或减小泄漏效应的方法抑制或减小泄漏效应的方法频谱泄漏是不可避免的，但要尽量减小。同时，由于截断后信号带宽变为无限宽，因此无论采样频率多高，信号总是不可避免地出现混叠，故信号截断必然导致一些误差。抑制或减小泄漏效应的方法是选择性能更好的特殊窗来替代矩形窗。评价窗函数的性能指标：1. -3dB带宽B：它是主瓣归一化的幅值下降至-3dB时的带宽。带宽B的单位为或f。 2. 旁瓣幅度A(dB)，表示为最大

10、旁瓣峰值Asmax与主瓣峰值Am之比，即20lg(Asmax/Am)。3. 旁瓣峰值衰减率D(dB/decade)，表示为最大旁瓣峰值与相距十倍频处的旁瓣峰值之比，也是以分贝表示。 2 理想的窗函数应具有最小的理想的窗函数应具有最小的B和和A以及最大的以及最大的D！华中科技大学材料学院工程测试技术 134.常用窗函数常用窗函数常用窗函数的时域图华中科技大学材料学院工程测试技术 144.7.3栅栏效应栅栏效应经过时域采样和截断后，其频谱在频域是连续的。如果要用数字描述频谱，这就意味着首先必须使频率离散化，实行频域采样。频域采样与时域采样相似，在频域中用脉冲序列D(k)乘信号的频谱函数。这一过程在

11、时域相当于将信号与一周期脉冲序列d(t)做卷积，其结果是将时域信号平移至各脉冲坐标位置更新构图，从而相当于在时域中将窗内的信号波形在窗外进行周期延拓。所以，频率离散化，无疑巳将时域信号“改造”成周期信号。它和原信号x(t)是不一样的。华中科技大学材料学院工程测试技术 151.栅栏效应的产生栅栏效应的产生对一函数实行采样，实质上就是“摘取”采样点上对应的函数值。其效果有如透过栅栏的缝隙观看外景一样，只有落在缝隙前的少数景象被看到，其余景象都被栅栏挡住，视为零。这种现象被称为栅栏效应。不管是时域采样还是频域采样，都有相应的栅栏效应。只不过时域采样如满足采样定理要求，栅栏效应不会有什么影响。然而频域

12、采样的栅栏效应则影响颇大，“挡住”或丢失的频率成分有可能是重要的或具有特征的成分，以致于整个处理失去意义。华中科技大学材料学院工程测试技术 162.减少栅栏效应误差的措施减少栅栏效应误差的措施 对周期信号作整周期截取是获取正确频谱的先决条件。 改变序列长度，从而在保持原频谱形式不变的情况下，使谱线变密，也就使频域采样点数增加，原来漏掉的某些频谱分量就有可能被检测出来。华中科技大学材料学院工程测试技术 174.8数字滤波、数据压缩数字滤波、数据压缩利用离散时间系统特性对输入信号进行加工利用离散时间系统特性对输入信号进行加工处理，把输入序列处理，把输入序列x(n)变换成一定的输出序列变换成一定的输

13、出序列y(n)，从而达到改变信号频率构成的目的。从而达到改变信号频率构成的目的。 x(n)h(n)y(n)y(n)=x(n)*h(n) 设数字滤波器的脉冲响应序列为设数字滤波器的脉冲响应序列为h0,h1,h2,hm,则则,展开：展开：y(k)=h0 x(k)+h1x(k+1)+h2x(k+2)+ hmx(k+m) k=0,1,.华中科技大学材料学院工程测试技术 184.9信号的输出信号的输出l信号输出在整个测试系统中的作用；l信号输出的形式及分类；l不同输出（显示及指示）仪器的工作原理及结构。华中科技大学材料学院工程测试技术 194.9.1概述概述 信号输出是测试与检测仪器不可缺少的重要系统构

14、成环节。 测试仪器的信号输出技术：将测试与检测结果（包括中间结果）以特定形式提供给特定对象，或为特定对象提供特定接口的技术。 现代测试仪器的信号输出技术已经不再是简单的人机界面，还应该包括仪器与仪器之间、仪器与执行器（控制器）之间的接口技术。华中科技大学材料学院工程测试技术 20数字量输出的优点l 驱动简单；l 显示直观；l 抗干扰能力强；l 传输距离远；l 接口标准化；l 通用性和兼容性强。现代测试仪器大多采用数字信号输出。华中科技大学材料学院工程测试技术 214.9.2信号输出的形式及分类信号输出的形式及分类根据输出的物理量分类：l械量信号输出、电子量信号输出和光电图视信号输出。 根据信号

15、输出的性质分类：l模拟输出和数字输出。 根据输出信号的频率分类：l低频信号输出和高频信号输出。根据输出信号应用角度分类：l指示和显示类、记录类和通信接口和驱动类。华中科技大学材料学院工程测试技术 22对于大多数测试与检测仪器来说，最重要也是最常用的信号输出技术是显示和指示类输出技术以及记录类输出技术，因此是本章介绍的主要内容。华中科技大学材料学院工程测试技术 234.9.3显示和指示类信号输出显示和指示类信号输出一、模拟指示二、数码显示（一）LED数码显示（二）LCD数码显示三、图形显示（一）CRT(Cathode-Ray Tube)图形显示 （二）LCD图形显示华中科技大学材料学院工程测试技

16、术 241.模拟指示l早期的测试检测仪器的信号输出多为模拟输出，通过机械表头指示。l模拟电信号输出常采用安培计和伏特计进行指示。华中科技大学材料学院工程测试技术 25原理： 当电流I通过线圈时，线圈在磁场中受到磁力矩的作用而转动。无论线圈转到什么位置，线圈平面的法线方向总是和线圈所在处的磁场方向垂直，因此，线圈所受磁力矩M的大小是不变的，即 M=NBSI 当线圈转动时，卷紧的游丝给线圈一个反方向的扭转力矩M。 M =k 当线圈受到的磁力矩和游丝给线圈的扭转力矩相互平衡时，线圈就稳定在这个位置，此时 NBIS=k华中科技大学材料学院工程测试技术 26从而K是恒量，通常称为电流计常量，表示电流计偏

17、转单位角度时所需通过的电流。K值越小，电流计越灵敏。因此，线圈偏转的角度与通过线圈的电流I成正比。KNBSkI华中科技大学材料学院工程测试技术 272. 数码显示数码显示常用的显示器：l 发光二极管显示器，简称 LED (Light Emitting Diode)l 液晶显示器，简称LCD (Liquid Crystal Display)l 荧光管显示器(fluorescent tube display)测试仪器信号以不同的形式输出，首先需要用不同的转换电路来转换成数字信号，然后通过译码、锁存、驱动电路，被数码显示器显示出来。不同的数码显示器需要不同的驱动技术。华中科技大学材料学院工程测试技术

18、 28测试信号输出与数码显示器的接口原理框图华中科技大学材料学院工程测试技术 29a. LED数码显示华中科技大学材料学院工程测试技术 30LED数码显示器件的分类l 7段（“8”字形）数码管l “米”字形数码管l 数码点阵l 数码条柱华中科技大学材料学院工程测试技术 31各种类型LED的应用范围l “8”字形和“米”字形显示器最为常用，一般用于显示09的数字数码和简单英文字母；l 数码点阵显示器不仅可以显示数码，还可以显示英文字母和汉字，以及其它二值图形；l 数码条柱显示器比较简单，多用于分辨率要求不高的信号幅度显示。华中科技大学材料学院工程测试技术 32LED显示器结构与工作原理图华中科技大学材料学院工程测试技术 33华中科技大学材料学院工程测试技术 344位LED动态显示原理图华中科技大学材料学院工程测试技术 35b