测试技术数字信号分析与处理课件

工程测试技术12/21/20221工程测试技术12/20/20221第5章数字信号的分析与处理

5.1数字信号处理概述5.2数字信号处理的基本步骤5.3信号数字化中出现的问题数字信号的分析与处理12/21/20222第5章数字信号的分析与处理5.1数字信号处理概述数字信5.1数字信号处理概述

(1)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。内容包括数字波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波。0AtX(0)X(1)X(2)X(3)X(4)数字信号的分析与处理12/21/202235.1数字信号处理概述(1)数字信号处理的主要研究内(2)测试信号数字化处理的基本步骤

物理信号对象传感器电信号放大调制电信号A/D转换数字信号计算机显示D/A转换电信号控制物理信号数字信号的分析与处理12/21/20224(2)测试信号数字化处理的基本步骤物理信号对象传感器电信号(3)数字信号处理的优势

1)用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构数字信号的分析与处理12/21/20225(3)数字信号处理的优势1)用数学计算和计算机显示代替复杂2)计算机软硬件技术发展的有力推动a)多种多样的工业用计算机。

数字信号的分析与处理12/21/202262)计算机软硬件技术发展的有力推动a)多种多样的工业用计算机b)灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统数字信号的分析与处理12/21/20227b)灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统数字信号的分析与处理1案例：铁路机车FSK信号检测与分析京广线计划提速到200公里/小时合作任务：机车状态信号识别(频率解调)虚拟仪器设计方案数字信号的分析与处理12/21/20228案例：铁路机车FSK信号检测与分析京广线计划提速到200公里5.2数字信号处理的基本步骤

预处理A/D转换数字信号处理器或计算机结果显示解调电平转换滤波采样量化保持截断分析计算数字滤波加权处理x(t)数字信号的分析与处理12/21/202295.2数字信号处理的基本步骤预处理A/D转换数字信号5.3.1采样与混叠

采样――利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为离散信号的过程。保持5.3信号数字化中出现的问题

(1)采样

数字信号的分析与处理12/21/2022105.3.1采样与混叠采样――利用采样脉冲序列，从信号中抽(2)采样过程的图解法描述

将采样函数p(t)与信号x(t)相乘0x(t)t0p(t)t×取离散点x(0),x(1)……x(n)tn00x(t).p(t)

x(n)数字信号的分析与处理12/21/202211(2)采样过程的图解法描述将采样函数p(t)与信号xa.采样函数的引入－－脉冲函数与周期脉冲序列函数

Tst0Tst0利用脉冲函数的采样特性数字信号的分析与处理12/21/202212a.采样函数的引入－－脉冲函数与周期脉冲序列函数Tsb.脉冲函数的采样特性与卷积特性

利用脉冲函数的采样特性：摘取利用脉冲函数的卷积特性：搬移0tx(t)Ts0时域脉冲函数t0fX(f)Fs0频域脉冲函数f0fX(f)Fs相乘卷积x(Ts)0tx(t)·Ts数字信号的分析与处理12/21/202213b.脉冲函数的采样特性与卷积特性利用脉冲函数的采样特性：c.采样中出现的问题－－混叠

0t0fx(t)X(f)Ts10t0fx(t)×p1(t)

X(f)*P1(f)

-1/Ts11/Ts10fX(f)*P2(f)

-1/Ts21/Ts2t0Ts2x(t))×p2(t)数字信号的分析与处理12/21/202214c.采样中出现的问题－－混叠0t0fx(t)X(f)Td.混叠的时域分析

`数字信号的分析与处理12/21/202215d.混叠的时域分析`数字信号的分析与处理12/20/2e.混叠的频域分析-FsFsFs/2工程处理混叠发生处：频率Fs/2附近FmaxFs-Fs频混Fmaxfff数字信号的分析与处理12/21/202216e.混叠的频域分析-FsFsFs/2工程处理混叠发生处：f.正确采样的方法：步骤１采样前的抗混叠滤波

物理信号对象传感器电信号放大调制电信号A/D转换数字信号展开低通滤波(0～Fs/2)放大数字信号的分析与处理12/21/202217f.正确采样的方法：步骤１采样前的抗混叠滤波物理信号对

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2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。Fs＞2FmaxFsFsf0FmaxFs/2-Fs/2f.正确采样的方法：步骤２满足采样定理

数字信号的分析与处理12/21/202218为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。Fs＞3~5Fmax或Ts＜0.2~0.3FmaxTmaxTstx(t)0f.正确采样的方法：步骤３考虑工程实际要求

数字信号的分析与处理12/21/202219工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。

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，这个过程称信号截断。5.3.2截断与泄漏

数字信号的分析与处理12/21/202220用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的（1）用于截断的窗函数

数字信号的分析与处理12/21/202221（1）用于截断的窗函数数字信号的分析与处理12/20/2

（2）截断过程的图解表示法

数字信号的分析与处理12/21/202222（2）截断过程的图解表示法数字信号的分析与处理12/（3）泄漏的产生

设有余弦信号x(t),用矩形窗函数w(t)与其相乘，得到截断信号:y(t)=x(t)w(t)

数字信号的分析与处理12/21/202223（3）泄漏的产生设有余弦信号x(t),用矩形能量泄漏实验：

数字信号的分析与处理12/21/202224能量泄漏实验：数字信号的分析与处理12/20/20222实际应用中，由于信号截断的原因，产生了能量泄漏，即使信号频率与频谱离散取样点不相等，也能得到该频率分量的一个近似值。（4）泄漏的抑制数字信号的分析与处理12/21/202225实际应用中，由于信号截断的原因，产生了能量泄漏，即使

能量泄漏分主瓣泄漏和旁瓣泄漏，主瓣泄漏会带来信号频域中谱峰幅值估计误差，造成频率分辨率降低，而旁瓣泄漏则可以造成信号严重失真。数字信号的分析与处理12/21/202226能量泄漏分主瓣泄漏和旁瓣泄漏，主瓣泄漏会带来信号频（5）常用的窗函数

1）矩形窗

特点：主瓣较窄，旁瓣较高频率分辨率较好，抑制泄漏较差

数字信号的分析与处理12/21/202227（5）常用的窗函数1）矩形窗特点：主瓣较窄，旁瓣较高2）三角窗

特点：主瓣较宽，旁瓣无负值频率分辨率较低，抑制泄漏较好

数字信号的分析与处理12/21/2022282）三角窗特点：主瓣较宽，旁瓣无负值频率分辨率较低，抑制泄3）汉宁窗特点：主瓣最宽，旁瓣最低频率分辨率低，抑制泄漏好

数字信号的分析与处理12/21/2022293）汉宁窗特点：主瓣最宽，旁瓣最低数字信号的分析与处理12/常用窗函数一览表数字信号的分析与处理12/21/202230常用窗函数一览表数字信号的分析与处理12/20/202230工程测试技术12/21/202231工程测试技术12/20/20221第5章数字信号的分析与处理

5.1数字信号处理概述5.2数字信号处理的基本步骤5.3信号数字化中出现的问题数字信号的分析与处理12/21/202232第5章数字信号的分析与处理5.1数字信号处理概述数字信5.1数字信号处理概述

(1)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。内容包括数字波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波。0AtX(0)X(1)X(2)X(3)X(4)数字信号的分析与处理12/21/2022335.1数字信号处理概述(1)数字信号处理的主要研究内(2)测试信号数字化处理的基本步骤

物理信号对象传感器电信号放大调制电信号A/D转换数字信号计算机显示D/A转换电信号控制物理信号数字信号的分析与处理12/21/202234(2)测试信号数字化处理的基本步骤物理信号对象传感器电信号(3)数字信号处理的优势

1)用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构数字信号的分析与处理12/21/202235(3)数字信号处理的优势1)用数学计算和计算机显示代替复杂2)计算机软硬件技术发展的有力推动a)多种多样的工业用计算机。

数字信号的分析与处理12/21/2022362)计算机软硬件技术发展的有力推动a)多种多样的工业用计算机b)灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统数字信号的分析与处理12/21/202237b)灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统数字信号的分析与处理1案例：铁路机车FSK信号检测与分析京广线计划提速到200公里/小时合作任务：机车状态信号识别(频率解调)虚拟仪器设计方案数字信号的分析与处理12/21/202238案例：铁路机车FSK信号检测与分析京广线计划提速到200公里5.2数字信号处理的基本步骤

预处理A/D转换数字信号处理器或计算机结果显示解调电平转换滤波采样量化保持截断分析计算数字滤波加权处理x(t)数字信号的分析与处理12/21/2022395.2数字信号处理的基本步骤预处理A/D转换数字信号5.3.1采样与混叠

采样――利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为离散信号的过程。保持5.3信号数字化中出现的问题

(1)采样

数字信号的分析与处理12/21/2022405.3.1采样与混叠采样――利用采样脉冲序列，从信号中抽(2)采样过程的图解法描述

将采样函数p(t)与信号x(t)相乘0x(t)t0p(t)t×取离散点x(0),x(1)……x(n)tn00x(t).p(t)

x(n)数字信号的分析与处理12/21/202241(2)采样过程的图解法描述将采样函数p(t)与信号xa.采样函数的引入－－脉冲函数与周期脉冲序列函数

Tst0Tst0利用脉冲函数的采样特性数字信号的分析与处理12/21/202242a.采样函数的引入－－脉冲函数与周期脉冲序列函数Tsb.脉冲函数的采样特性与卷积特性

利用脉冲函数的采样特性：摘取利用脉冲函数的卷积特性：搬移0tx(t)Ts0时域脉冲函数t0fX(f)Fs0频域脉冲函数f0fX(f)Fs相乘卷积x(Ts)0tx(t)·Ts数字信号的分析与处理12/21/202243b.脉冲函数的采样特性与卷积特性利用脉冲函数的采样特性：c.采样中出现的问题－－混叠

0t0fx(t)X(f)Ts10t0fx(t)×p1(t)

X(f)*P1(f)

-1/Ts11/Ts10fX(f)*P2(f)

-1/Ts21/Ts2t0Ts2x(t))×p2(t)数字信号的分析与处理12/21/202244c.采样中出现的问题－－混叠0t0fx(t)X(f)Td.混叠的时域分析

`数字信号的分析与处理12/21/202245d.混叠的时域分析`数字信号的分析与处理12/20/2e.混叠的频域分析-FsFsFs/2工程处理混叠发生处：频率Fs/2附近FmaxFs-Fs频混Fmaxfff数字信号的分析与处理12/21/202246e.混叠的频域分析-FsFsFs/2工程处理混叠发生处：f.正确采样的方法：步骤１采样前的抗混叠滤波

物理信号对象传感器电信号放大调制电信号A/D转换数字信号展开低通滤波(0～Fs/2)放大数字信号的分析与处理12/21/202247f.正确采样的方法：步骤１采样前的抗混叠滤波物理信号对

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2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。Fs＞2FmaxFsFsf0FmaxFs/2-Fs/2f.正确采样的方法：步骤２满足采样定理

数字信号的分析与处理12/21/202248为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。Fs＞3~5Fmax或Ts＜0.2~0.3FmaxTmaxTstx(t)0f.正确采样的方法：步骤３考虑工程实际要求

数字信号的分析与处理12/21/202249工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。

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，这个过程称信号截断。5.3.2截断与泄漏

数字信号的分析与处理12/21/202250用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的（1）用于截断的窗函数

数字信号的分析与处理12/21/202251（1）用于截断的窗函数数字信号的分析与处理12/20/2

（2）截断过程的图解表示法

数字信号的分析与处理12/21/202252（2）截断过程的图解表示法数字信号的分析与处理12/（3）泄漏的产生

设有余弦信号x(t),用矩形窗函数w(t)与其相乘，得到截断信号:y(t)=x(t)w(t)