虚拟仪器技术应用基础

1、虚拟仪器技术应用基础虚拟仪器技术应用基础第五讲基于LabVIEW的信号处理虚拟仪器技术应用基础信号处理在各个行业的应用汽车：噪声定位机电：机器监测能源：管道监测信号处理Signal Processing通讯：信道消噪生物：医电分析虚拟仪器技术应用基础回顾: 一种典型的虚拟仪器系统信号采集分析表达信号处理虚拟仪器技术应用基础为什么需要信号处理功率分析频率测定滤除多余成分信号 处理 函数信号 处理 函数信号 处理 函数Vrms2 500 Hz完美的正弦曲线输入信号虚拟仪器技术应用基础信号处理的系统流程预处理 信号分析数据采集参数测量域变换建模选择合适的信号处理算法交互显示虚拟仪器技术应用基础信号预

2、处理信号预处理的目的降噪、去直流、去漂移等量纲、物理量转换常用的信号预处理方法包括移动平均滤波积分、微分重采样预处理参数测量域变换建模虚拟仪器技术应用基础信号预处理降噪信号噪声一般指信号中的高频次要部分常用降噪方法移动平均低通滤波小波降噪虚拟仪器技术应用基础移动平均移动平均是一种特定的低通滤波器，去除信号中的高频噪声平均长度越长，截止频率越低低频幅度有一定的衰减虚拟仪器技术应用基础移动平均对信号幅度的影响低频幅度有一定的衰减，衰减程度随平均长度的增加而增大虚拟仪器技术应用基础低通滤波器设计使用滤波器设计Express VI设计低通滤波器，用于去除高频噪声可灵活调整滤波器的频响，以去除高频噪声同

3、时又尽可能保持低频成分的幅度虚拟仪器技术应用基础滤波器Express VI 选择滤波器类型 低通 高通 带通 带阻 平滑 选择滤波器规范 截止频率 FIR或IIR 阶数 直观显示效果 便于调整参数达到理想效果虚拟仪器技术应用基础LabVIEW中的数字滤波器函数关于各种数字滤波器的特点和参数影响不是本课程关注的重点，可参考数字信号处理课程及相关参考书最简单的: 滤波器Express VI滤波器函数数字滤波器设计工具包*虚拟仪器技术应用基础软件滤波与硬件滤波 硬件滤波 在上一课中我们提到“滤波”是一类重要的信号调理手段 通过模拟电路直接对模拟信号进行处理，在数字化采样之前发生 软件滤波 这节课我们

4、所讨论的内容 已经经过了采样和数字化，通过软件对数字信号进行处理 两者比较 软件滤波配置简单，几乎无成本，随时间无老化效应 硬件滤波不需要占用处理器资源 软件滤波可能在某些噪声条件下效果较差 两者可能同时使用虚拟仪器技术应用基础降噪的挑战 宽频、时变、多尺度移动平均和低通滤波不适用于宽频、时变、多尺度信号的降噪虚拟仪器技术应用基础小波降噪基于小波的降噪方法适合于宽频、时变、多尺度信号的降噪虚拟仪器技术应用基础降噪方法比较移动平均低通小波去除成分高频高频有选择地去除高频幅频响应类型低通滤波低通滤波低通并保留高频幅度较大部分（非线性）过渡带较长(与平均长度有关)可控(与滤波器设计有关)与小波类型有

5、关低频衰减较大(与平均长度有关)可控(与滤波器设计有关)与小波类型有关优势简单易用性能可控非平稳信号效果好虚拟仪器技术应用基础使用LabVIEW做信号预处理的优势丰富的函数滤波器设计、重采样、抽样、插值、去直流、曲线拟合、小波降噪、小波去趋势、时变滤波等等LabVIEW交互式的环境便于完成需要反复试验(Trial and error)的预处理任务 图形化编程 VI前面板 调试探针 (Probe) Express VI虚拟仪器技术应用基础参数测量频率、周期与相位直流分量、有效值(RMS)脉冲参数：占空比、超调比等总谐波失真(THD)、SINAD振动级、声压级谐振频率、阻尼预处理参数测量域变换建模

6、虚拟仪器技术应用基础参数测量的应用电声设备特性测量音箱、耳机、麦克风、功放等频响、THD等参数土木与机械结构动态特性测量谐振频率、阻尼其他应用汽车生产线自动质量控制系统虚拟仪器技术应用基础参数测量例1频谱测量可交互式地对参数进行配置（如选择不同的窗函数等）虚拟仪器技术应用基础需要加窗的原因频谱泄漏 实际信号采样之后进行频谱分析时需要考虑频谱泄漏的问题 没有以整数周期进行采样的信号生成高频不连续成分，从而导致频谱泄漏 频谱泄漏导致频率测量失真，因为不连续部分的高频能量会在频谱扩散不连续1个周期虚拟仪器技术应用基础频谱泄漏整数周期 无泄漏非整数周期 泄漏虚拟仪器技术应用基础加窗可减少频谱泄漏对频谱

7、分析的影响 加窗可加强信号部分，减弱其它部分 加窗可以将不连续部分的幅值最小化 减少频谱泄漏 加窗对幅值和相位的效果、不同窗函数的影响效果等内容可参考数字信号处理课程或相关参考书虚拟仪器技术应用基础参数测量例2FRF一个函数完成一台传统频谱分析仪的主要功能系统的激励和响应信号作为输入，直接输出系统的FRF加窗、平均、H1、H2、H3等设置直接在LabVIEW前面板显示频响函数虚拟仪器技术应用基础参数测量例3正弦参数提取传统方法功率峰值法：精度受频谱泄漏和谱线密度影响零点检测法：精度受噪声影响LabVIEW中使用的三点法专利技术消除频谱泄漏影响高精度虚拟仪器技术应用基础使用LabVIEW做参数测

8、量的优势LabVIEW的函数专门针对工业应用函数功能强大，调用现成VI完成参数测量任务隐藏底层算法，符合工业标准的设置方式包含单位量纲，自动给出测量结果的量纲虚拟仪器技术应用基础域变换变换是信号处理的精髓换个角度看问题变换可能使得信号的隐藏特征显而易见常用变换域频域尺度域时频域角度域预处理参数测量域变换建模虚拟仪器技术应用基础信号按时频特征分类频率时间短时宽带信号长时间持续的窄带信号短时窄带信号时变信号虚拟仪器技术应用基础选择合适的变换域傅立叶变换小波变换联合时频角度(阶次)域tf虚拟仪器技术应用基础LabVIEW变换函数的特点功能全面FFT、Hilbert变换、Hartley变换、Walsh

9、 Hadamard变换、联合时频率变换、小波变换函数设计针对在线应用函数运算速度足够快函数自动处理相邻信号块的衔接问题例：Online Gabor Transform、Online Gabor Expansion虚拟仪器技术应用基础LabVIEW中时频分析的应用举例 深海中虎鲸的叫声虚拟仪器技术应用基础建模分析应用1. 系统识别控制器设计预测状态监测应用2. 随机信号参数建模预处理参数测量域变换建模系统辨识工具包虚拟仪器技术应用基础随机信号建模自回归模型 (AR)Mkkneknyany1)( )()(确定部分(用模型系数表示)随机部分 (建模残差)(ne)(ny)(zH虚拟仪器技术应用基础AR

10、建模应用实例 - 硬盘异音自动检测GoodPitchCrackZee在实际生产线上，可以通过AR建模残差的大小来检测故障虚拟仪器技术应用基础在实际的信号处理应用中使用LabVIEW 与硬件无缝连接 易于获取真实数据，随后直接进行信号处理 针对在线信号处理的函数接口设计 交互式地直接调试 可以根据实际测量数据实时尝试不同的信号处理算法效果，决定最终的算法 开发效率高 内置超过1,000种现成的信号处理函数，可直接调用 概率统计、微积分、曲线拟合插值、最优化等数学函数 频谱分析、小波、时频、滤波器设计、特征提取、多通道分析等 调制/解调等 也可以编写自定义的信号处理算法虚拟仪器技术应用基础LabV

11、IEW中的信号分析与处理常用函数信号处理函数选板数学选板数字滤波器设计*频谱测量*声音与振动*高级信号处理(时频分析、小波分析等)*调制解调*虚拟仪器技术应用基础结合硬件进行信号处理PCIPXIUSBWirelessCompactDAQ同一应用程序 多种目标硬件无论你的数据来自于何种数据采集平台，LabVIEW数据采集和信号处理的程序是一样的ELVIS虚拟仪器技术应用基础举例 基于myDAQ实现声音信号的采集和声强分析及阈值报警 采集音乐信号 设阈值并监控 根据警报值输出虚拟仪器技术应用基础举例 进一步实现在线音效处理（功率谱分析和滤波均衡）虚拟仪器技术应用基础调用文本语言下的信号处理代码 通过公式节点和MathScript节点可在LabVIEW中调用文本语言程序 也可以通过调用DLL等方式连接文本语言的编译结果（可自学）虚拟仪器技术应用基础通过MathScript节点调用Matlab代码 LabVIEW中内置的文本数学语言，提供900多个数学、信号处理函数 兼容m文件脚本语法和对矩阵的操作，可以重用m-script代码并验证算法 可与LabVIEW图形化编程结合