第5讲 基于LabVIEW的信号处理

第五讲

基于LabVIEW的信号处理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SignalProcessing通讯：信道消噪生物：医电分析回顾: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

500Hz完美的正弦曲线输入信号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信号预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低通滤波器设计使用滤波器设计ExpressVI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，以去除高频噪声同时又尽可能保持低频成分的幅度滤波器ExpressVI

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ExpressVI滤波器函数数字滤波器设计工具包*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(Trialanderror)的预处理任务图形化编程VI前面板调试探针(Probe)ExpressVI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）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个周期频谱泄漏整数周期—无泄漏非整数周期—泄漏加窗可减少频谱泄漏对频谱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》课程或相关参考书参数测量例2——FRF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Demo使用LabVIEW做参数测量的优势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tfLabVIEW变换函数的特点功能全面FFT、Hilbert变换、Hartley变换、WalshHadamard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：OnlineGaborTransform、OnlineGaborExpansionLabVIEW中时频分析的应用举例深海中虎鲸的叫声…演示建模分析应用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随机信号建模自回归模型(AR)确定部分(用模型系数表示)随机部分(建模残差)AR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