第部分 信號(hào)處理初步

第五章信號(hào)處理初步本章學(xué)習(xí)要求：1.了解數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的組成2.了解信號(hào)數(shù)字化出現(xiàn)的問(wèn)題3.掌握采樣定理4.掌握相關(guān)分析方法信號(hào)處理的目的：1)分離信、噪，提高信噪比；2)從信號(hào)中提取有用的特征信號(hào)；3)修正測(cè)試系統(tǒng)的某些誤差，如傳感器的線性誤差、溫度影響等。測(cè)試工作的目的：是獲取反映被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)和特征的信息。但是有用的信號(hào)總是和各種噪聲混雜在一起的，有時(shí)本身也不明顯，難以直接識(shí)別和利用。只有分離信、噪，并經(jīng)過(guò)必要的處理和分析、清除和修正系統(tǒng)誤差之后，才能比較準(zhǔn)確地提取測(cè)得信號(hào)中所含的有用信息。第五章信號(hào)處理初步模擬信號(hào)處理系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)方法模擬信號(hào)處理系統(tǒng)：由一系列能實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)算的電路，諸如模擬濾波器、乘法器、微分放大器等環(huán)節(jié)組成。其中大部分環(huán)節(jié)在前行課程和前面幾章中已有討論。模擬信號(hào)處理也作為數(shù)字信號(hào)處理的前奏，例如濾波、限幅、隔直、解調(diào)等預(yù)處理。數(shù)字處理之后也常需作模擬顯示、記錄等。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)：是用數(shù)字方法處理信號(hào)，它既可在通用計(jì)算機(jī)上借助程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用專用信號(hào)處理機(jī)來(lái)完成。數(shù)字信號(hào)處理機(jī)具有穩(wěn)定、靈活、快速、高效、應(yīng)用范圍廣、設(shè)備體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。第五章信號(hào)處理初步第一節(jié)數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟

信號(hào)的預(yù)處理是把信號(hào)變成適于數(shù)字處理的形式，以減輕數(shù)字處理的困難。預(yù)處理包括:

1)電壓幅值調(diào)理，以便適宜于采樣，總是希望電壓峰-峰值足夠大，以便充分利用AD轉(zhuǎn)換器的精確度。2)必要的濾波，以提高信噪比，并濾去信號(hào)中的高頻噪聲。

3)隔離信號(hào)中的直流分量（如果所測(cè)信號(hào)中不應(yīng)有直流分量）。4)如原信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制，則應(yīng)先行解調(diào)。

預(yù)處理環(huán)節(jié)應(yīng)根據(jù)測(cè)試對(duì)象、信號(hào)特點(diǎn)和數(shù)字處理設(shè)備的能力妥善安排。模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換是模擬信號(hào)經(jīng)采樣、量化并轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的過(guò)程。第五章信號(hào)處理初步數(shù)字信號(hào)處理主要包括：

數(shù)字信號(hào)處理主要研究用數(shù)字序列來(lái)表示測(cè)試信號(hào)，并用數(shù)學(xué)公式和運(yùn)算來(lái)對(duì)這些數(shù)字序列進(jìn)行處理。內(nèi)容包括數(shù)字波形分析、幅值分析、頻譜分析和數(shù)字濾波。X(0)X(1)X(2)X(3)X(4)數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟tA0A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)處理器或計(jì)算機(jī)對(duì)離散的時(shí)間序列進(jìn)行運(yùn)算處理。計(jì)算機(jī)只能處理有限長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，所以首先要把長(zhǎng)時(shí)間的序列截?cái)?，?duì)截取的數(shù)字序列有時(shí)還要人為地進(jìn)行加權(quán)(乘以窗函數(shù))以成為新的有限長(zhǎng)的序列，對(duì)數(shù)據(jù)中的奇異點(diǎn)(由于強(qiáng)干擾或信號(hào)丟失引起的數(shù)據(jù)突變)應(yīng)予以剔除。對(duì)溫漂、時(shí)漂等系統(tǒng)性干擾所引起的趨勢(shì)項(xiàng)(周期大于記錄長(zhǎng)度的頻率成分)也應(yīng)予以分離。如有必要，還可以設(shè)計(jì)專門的程序來(lái)進(jìn)行數(shù)字濾波，然后把數(shù)據(jù)按給定的程序進(jìn)行運(yùn)算，完成各種分析。物理信號(hào)對(duì)象傳感器放大等預(yù)處理A

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D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)顯示D

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A轉(zhuǎn)換控制物理信號(hào)模擬信號(hào)計(jì)算機(jī)模擬信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)1)用數(shù)學(xué)計(jì)算和計(jì)算機(jī)顯示代替復(fù)雜的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟2)計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展的有力推動(dòng)a)多種多樣的工業(yè)用計(jì)算機(jī)。

數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟b)靈活、方便的計(jì)算機(jī)虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟第二素節(jié)短信號(hào)吊數(shù)字喘化出池現(xiàn)的足問(wèn)題1.信號(hào)搖數(shù)字企化處崗理過(guò)而程數(shù)字振信號(hào)近處理森首先裝把一塞個(gè)連毫續(xù)變?yōu)郴恼衲M挺信號(hào)孟轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)為數(shù)恩字信著號(hào)，拍然后猴由計(jì)架算機(jī)霞處理界，從緞中提鮮取有如關(guān)的柜信息劃。信相號(hào)數(shù)組字化慮過(guò)程每包含能著一得系列鵝步驟呼，每蠶一步店驟都酬可以昂引起飛信號(hào)捉和其膝蘊(yùn)含橫信息春的失定真。耗現(xiàn)以啞計(jì)算婦一個(gè)閘模擬綢信號(hào)胃的頻窄譜為票例來(lái)雹說(shuō)明撥有關(guān)晝的問(wèn)乳題。第五錦章闖信號(hào)蹲處理吸初步信號(hào)鑄數(shù)字項(xiàng)化出奴現(xiàn)的覽問(wèn)題信號(hào)卡數(shù)字平化出得現(xiàn)的械問(wèn)題2.時(shí)域令采樣巨、混潮疊和盼采樣采定理采樣禍?zhǔn)菍U采樣拌脈沖嚇序列p(t)與信倒號(hào)x(t)相乘狹，取業(yè)離散睛點(diǎn)x(nTs)的值淋的過(guò)掙程。采樣獻(xiàn)定理X(妨0)已,易X(齡1)片,往X北(2暑),色……斤,鏟X傍(n茂)采樣的定理每周期志應(yīng)該別有多績(jī)少采鹽樣點(diǎn)頸？最少2點(diǎn):采樣否定理采樣本定理頻域碗解釋采樣善定理0t0f0t0ft00fx(t)|X(f)|采樣茄定理采樣調(diào)定理為保悠證采醒樣后鼠信號(hào)揭能真競(jìng)實(shí)地恩保留朱原始恢模擬足信號(hào)家信息聚，信芝號(hào)采殿樣頻蔬率必禾須至擦少為鎮(zhèn)原信騎號(hào)中最高稱頻率拳成分撞的2倍。這獻(xiàn)是采稍樣的廢基本粒法則基，稱樣為采樣貪定理。fs＞2fh需注兄意，棕滿足菠采樣事定理沒(méi)，只哀保證伙不發(fā)屯生頻墳率混紹疊，膚而不推能保烈證此圣時(shí)的濕采樣汁信號(hào)客能真賓實(shí)地巨反映闖原信廈號(hào)x(t)。工程吊實(shí)際從中采茄樣頻秧率通濃常大源于信號(hào)悟中最方高頻罰率成鐘分的3到5倍。采樣械定理頻率抱混疊斑：FsFsFsFs頻混正常Fs/2工程處理采樣經(jīng)定理A/性D采樣紋前的網(wǎng)抗混譽(yù)疊濾僑波：物理信號(hào)對(duì)象傳感器電信號(hào)放大調(diào)理電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)展開低通濾波(0~Fs/2)放大采樣臟定理3.量化既與量議化誤遠(yuǎn)差采樣―利用撒采樣屬脈沖蓮序列，從信崇號(hào)中務(wù)抽取毛一系忍列離散舞值，色使之倚成為蘭采樣逢信號(hào)x(nTs)的過(guò)摧程。編碼―將經(jīng)督過(guò)量犬化的附值變什為二姥進(jìn)制再數(shù)字斥的過(guò)軟程。量化―把采渣樣信姐號(hào)經(jīng)催過(guò)舍倆入變抬為只烈有有嚼限個(gè)勻有效數(shù)字絹的數(shù)哨，這居一過(guò)湯程稱盆為量化．A/D轉(zhuǎn)換

量化萄與量角化誤手差信號(hào)的6等分量化過(guò)程4位A/認(rèn)D:X解X何X嗽XX(維1)即01鍋01X(母2)能00牌11X(訴3)袋00稅00X(癢4)煤00軟01X(羅5)檔01離00……12345678量化毫與量揮化誤往差模擬脫信號(hào)皇的輸移入范迎圍為D—?jiǎng)討B(tài)冠工作五范圍如，0~5V，±5V，0訓(xùn)~兵10肢V，±10買V等。A/電D轉(zhuǎn)換慢器的窯位數(shù)改是一蛙定的枯。一榨個(gè)b位（孝又稱賠數(shù)據(jù)滴字長(zhǎng)百）的柴二進(jìn)窗制數(shù)療，共屬有L=2b個(gè)數(shù)蓬碼。位數(shù)脹越多殿，量煉化誤跡差越乎小，奇分辨警力越摩高。靈常用喚有8位、10位、12位、16位等宗。以D=5殊V為例號(hào)，Dx為若最高懸位作躲為符定號(hào)位，則澇兩相波鄰量掙化電巾平之欄間的片差Dx為量化康誤差舍的最繪大值膏為±(Dx/2恨)量化算與量熄化誤斗差A(yù)/修D(zhuǎn)、D/斗A轉(zhuǎn)換奶過(guò)程萄中的墊量化莫誤差縱實(shí)驗(yàn)風(fēng)：量化輛與量迅化誤燥差第三覺(jué)節(jié)唱相關(guān)漫分析督及其呀應(yīng)用一、潑兩個(gè)埋隨機(jī)壇變量耍的相疫關(guān)系醫(yī)數(shù)通常雁，兩粒個(gè)變柳量之旱間若籠存在隊(duì)一一事對(duì)應(yīng)棄的確覺(jué)定關(guān)券系，呆則稱晝兩者配存在獵著函數(shù)竭關(guān)系。當(dāng)封兩個(gè)燭隨機(jī)罰變量煤之間永具有環(huán)某種羽關(guān)系濾時(shí)，遺隨著嗚某一諷個(gè)變礦量數(shù)據(jù)值的療確定提，另卷一變隱量卻姓可能瞎取許治多不淋同值秋，但癢取值佩有一渣定的科概率升統(tǒng)計(jì)浩規(guī)律記，這摸時(shí)稱恥兩個(gè)夫隨機(jī)值變量柿存在牙著相關(guān)茂關(guān)系。變量x和y之間螞的相蛇關(guān)程柄度常米用相豎關(guān)系刊數(shù)表譽(yù)示第五永章眠信號(hào)奧處理絡(luò)初步下圖敏分別瘦表示遠(yuǎn)了x、y兩變間量間撿的各保種關(guān)俯系情乎況。理想胃的線答性相迷關(guān)相關(guān)轟分析對(duì)各糧態(tài)歷步經(jīng)隨秧機(jī)信浙號(hào)及豆功率逐信號(hào)西可定舟義：自相董關(guān)函要數(shù)自相歸關(guān)系膨數(shù)相關(guān)惕分析周期漠信號(hào)自相糧關(guān)函債數(shù)有絨如下饒性質(zhì)拿：4）自翼相關(guān)突函數(shù)慈是偶負(fù)函數(shù)1）取屬值范煌圍2）當(dāng)t=0時(shí)，埋自相亦關(guān)函輔數(shù)具國(guó)有最緒大值捷（=均方僚值）營(yíng)。3）當(dāng)t足夠翅大或t→時(shí)，作隨機(jī)誼變量x(t)和x(t+t)之間奧不存辰在內(nèi)維在聯(lián)漂系偷，彼憐此無(wú)野關(guān)，怠即5）周拾期信側(cè)號(hào)的睛自相蛾關(guān)函雨數(shù)仍戲然是墾同頻壘率的遺周期條信號(hào)發(fā)，其河幅值刻與原協(xié)信號(hào)滿有關(guān)蘭，但裹丟失擴(kuò)了原而信號(hào)陳的相番位信癥息。相關(guān)猶分析相關(guān)栗分析例5-禁1求正六弦函挖數(shù)的球自相就關(guān)函晉數(shù)周期譽(yù)信號(hào)定義崇式相關(guān)織分析相關(guān)鬼分析惕的工軌程應(yīng)磨用案例克：機(jī)罵械加攜工表究面粗少糙度握自相肺關(guān)分段析被測(cè)工件相關(guān)罰分析提葉取出強(qiáng)主軸絞回轉(zhuǎn)暫振動(dòng)敢等周燭期性劈燕的故斤障源圖。相關(guān)哥分析三、膀信號(hào)涌的互犯相關(guān)饞函數(shù)兩個(gè)殃各態(tài)升歷經(jīng)再隨機(jī)景信號(hào)x(t)和y(t)可定地義：互相瞎關(guān)函晨數(shù)周期水信號(hào)相關(guān)衣分析如果x(t)和y(t)兩信魯號(hào)是巨同頻拌率的虜周期新信號(hào)體或者翻包含輔有同嫩頻率成的周鹿期成哪分，作那么豬，即際使t→，互泛相關(guān)猾函數(shù)孩也不果收斂鳳并會(huì)歲出現(xiàn)左該頻朱率的搜周期側(cè)成分姿。如果桑兩信理號(hào)含存有頻咬率不毯等的鑰周期殲成分葵，則遍兩者暮不相授關(guān)。這就取是說(shuō)并，同頻腦率相己關(guān)，鐘不同耳頻不復(fù)相關(guān)。相關(guān)眠分析例5-勤2相關(guān)群分析相關(guān)啊分析互相厭關(guān)函拉數(shù)的宰這些爸特性惱，使判它在桶工程句應(yīng)用敬中有狡重要辜的價(jià)烤值。答它是開在噪醉聲背救景下耗提取撕有用痛信息姑的一零個(gè)非歉常有從效的勞手段物。如各果我榜們對(duì)突一個(gè)朵線性惑系統(tǒng)(例如甲某個(gè)冤部件捆、結(jié)牌構(gòu)或緊某臺(tái)然機(jī)床)激振罪，所千測(cè)得羞的振陵動(dòng)信動(dòng)號(hào)中項(xiàng)常常去含有雹大量表的噪今聲干墾擾。桿根據(jù)玩線性今系統(tǒng)酒的頻層率保拿持性鍛，只控有和恢激振尤頻率圓相同提的成詢分才鄉(xiāng)豐可能因是由酷激振池而引來(lái)起的想響應(yīng)魔，其刃他成驗(yàn)分均意是干硬擾。班因此負(fù)只要賺將激略振信世號(hào)和陪所測(cè)洲得的用響應(yīng)孩信號(hào)刻進(jìn)行群互相殃關(guān)就尤可以盲得到寶由激舌振而錢引起敏的響