第五章 信号处理初步

1、第五章第五章 信号处理初步信号处理初步1第五章第五章 信号处理初步信号处理初步本章学习要求：本章学习要求：1.1.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 2.2.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 3.3.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第五章第五章 信号处理初步信号处理初步2信号处理的目的：信号处理的目的：1 1）分离信、噪，提高信噪比；）分离信、噪，提高信噪比；2 2）从信号中提取有用信息；）从信号中提取有用信息；3 3）修正测试系统的某些误差，如传感器的线性误差、）

2、修正测试系统的某些误差，如传感器的线性误差、 温度影响等。温度影响等。信号处理有模拟信号处理系统和数字信号处理系统。信号处理有模拟信号处理系统和数字信号处理系统。模拟信号处理系统由一系列能实现模拟运算的电路组成。模拟信号处理系统由一系列能实现模拟运算的电路组成。数字信号处理是用数字方法处理信号，既可以在计算机上数字信号处理是用数字方法处理信号，既可以在计算机上借助程序实现，也可以用专用的信号处理机实现。借助程序实现，也可以用专用的信号处理机实现。数字信号处理系统具有稳定、灵活、快速、高效、应用范数字信号处理系统具有稳定、灵活、快速、高效、应用范围广、设备体积小、重量轻等优点，得到广泛的应用。围

3、广、设备体积小、重量轻等优点，得到广泛的应用。第五章第五章 信号处理初步信号处理初步35.1 5.1 数字信号处理的基本步骤数字信号处理的基本步骤 1 1、数字信号处理的主要研究内容、数字信号处理的主要研究内容 数字信号处理主要研究用数字序列来表示数字信号处理主要研究用数字序列来表示测试信号，并用数学公式和运算来对这些数字序列测试信号，并用数学公式和运算来对这些数字序列进行处理。其主要内容包括数字波形分析、幅值分进行处理。其主要内容包括数字波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波析、频谱分析和数字滤波。2 2、测试信号数字化处理的基本步骤、测试信号数字化处理的基本步骤 物理信号物理信号对象对象传

4、传感感器器电信号电信号信信号号调调制制电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号计计算算机机显显示示D/A转换转换控控制制第五章第五章 信号处理初步信号处理初步43 3、数字信号处理的优势、数字信号处理的优势 1)1)用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构2)2)计算机软硬件技术的发展计算机软硬件技术的发展a)a)多种多样的工业用计算机。多种多样的工业用计算机。 第五章第五章 信号处理初步信号处理初步5b)b)灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统第五章第五章 信号处理初步信号处理初步65.2 5.2 信号数字

5、化出现的问题信号数字化出现的问题 当运用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信当运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片段进行分析，号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析，这个信号截取过程称为信号的截断。这个信号截取过程称为信号的截断。 第五章第五章 信号处理初步信号处理初步75.2 5.2 信号数字化出现的问题信号数字化出现的问题 1 1 采样信号的频谱采样信号的频谱 采样过程是将采样采样过程是将采样脉冲序列脉冲序列p(t)与信与信号号x(t)相乘相乘第五章第五章 信号处理初步信号处理初步82.2.频混现象频混现象 频域解释频域解

6、释时域解释时域解释第五章第五章 信号处理初步信号处理初步93.3.采样定理采样定理 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2 2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。f fs s2f2fmaxmax 第五章第五章 信号处理初步信号处理初步10A/DA/D采样前的抗混迭滤波：采样前的抗混迭滤波： 物理信号物理信号对象对象传传感感器器电信号电信号信信号号调调制制电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号计计算算机机显显示

7、示展开展开低通滤波低通滤波(0-Fs/2)放大放大13第五章第五章 信号处理初步信号处理初步11 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A) 1 1、A/DA/D转换转换 1) A/D转换过程转换过程 采样采样利用采样脉冲序列利用采样脉冲序列p(t)p(t)，从连续时间信号，从连续时间信号x(t)x(t)中中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(nTsx(nTs) )的过程的过程 编码编码将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。 量化量化把采样信号把采样信号x x（nTsnTs）经过舍入变为只有有限个有）经过舍

8、入变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化效数字的数，这一过程称为量化第五章第五章 信号处理初步信号处理初步122) A/D2) A/D转换器的技术指标转换器的技术指标 (1) (1) 分辨率分辨率; ; 用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有分辨力越高。常用有8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1616位等。位等。 (2) (2) 转换精度转换精度; ; 转换精度转换精度= =量程量程/(A/(AD D转换器的分辨力转换器的分辨力* *0.5)0.5) (3) (3) 转换速度转换速度; ; 指

9、完成一次转换所用的时间，指完成一次转换所用的时间，如如:100ms(10Hz):100ms(10Hz)；10us(100kHz) 10us(100kHz) (4) (4) 模拟信号的输入范围模拟信号的输入范围; ; 如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。第五章第五章 信号处理初步信号处理初步132 2、D/AD/A转换过程和原理转换过程和原理 1) D/A转换过程转换过程 D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。 2) D/A转换器的技术指标转换器的技术指标 (1) (1) 分辨率分辨率; ; (2) (2) 转换精度转换精度

10、; ; (3) (3) 转换速度转换速度; ; (4) (4) 模拟信号的输出范围模拟信号的输出范围; ;第五章第五章 信号处理初步信号处理初步14 设有余弦信号设有余弦信号x(t), x(t), 用矩形窗函数用矩形窗函数w(t)w(t)与其相乘，与其相乘，得到截断信号得到截断信号: y: y(t) =x(t)w(t) (t) =x(t)w(t) 将截断信号谱将截断信号谱 X XT T()()与原始信号谱与原始信号谱X()X()相相比较可知，它已不是原比较可知，它已不是原来的两条谱线，而是两来的两条谱线，而是两段振荡的连续谱段振荡的连续谱. . 原来原来集中在集中在f0f0处的能量被分处的能量被分散到两个较宽的频带中散到两个较宽的频带中去了，这种现象称之为去了，这种现象称之为频谱能量泄漏频谱能量泄漏。5.3 5.3 信号的截断、能量泄漏信号的截断、能量泄漏 当运用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信当运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