第五章 信号处理初步.

《机械工程测试技术》第五章数字信号处理初步主讲：王建军山东理工大学•机械工第五章信号处理初步●测试的目的：获取被测对象的状态和特征的信息。

但信号总是与噪声混杂在一起。

所以，有必要进行信号处理。

●信号处理的目的：➢1）分离信、噪，提高信噪比。

➢2）从信号中提取有用的特征信息。

➢3）修正测试系统的某些误差，如：传感器的线性误差、温度影响。

●信号分析：研究信号的构成和特征值。

●信号处理：信号经过必要的变换以获取所需信息的过程。

●信号处理分为两类：模拟信号处理和数字信号处理模拟信号处理：●实现模拟运算的电路，如模拟滤波器、乘法器、微分放大器等。

●模拟信号处理也可用于数字信号处理的前奏（如滤波、限幅、隔直、解调）及后续处理（如模拟显示、记录）。

数字信号处理：●用数字方法处理信号，可采用通用计算机，或专用的信号处理机实现。

●数字信号处理技术目前正处于迅速的发展阶段，如DSP芯片的开发与使用，势头很好。

第一节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A/D 转换结果显示预处理x(t)y(t)物理信号x(t)传感器电信号信号调理电信号A/D 转换数字信号数字信号分析仪或计算机显示物理信号y(t)传感器电信号信号调理电信号A/D 转换数字信号☐1、信号的预处理：把信号变成适于数字处理的形式，减轻数字处理的困难。

●1）电压幅值调理，便于采样。

例如：12位A/D 转换器，参考电压为±5V ，其末位数字的当量电压为2.5mV 。

●2）必要的滤波,提高信噪比，虑去信号中的高频噪声。

●3）隔离信号中的直流分量（如果所测信号不允许有直流分量）。

●4）对调制信号进行预先解调。

预处理A/D 转换数字信号处理器或计算机A/D 转换结果显示预处理x(t)y(t)☐2、A/D 转换：●模拟信号经采样、量化并转化为二进制数的过程。

预处理A/D 转换数字信号处理器或计算机A/D 转换结果显示预处理x(t)y(t)☐3、数字信号处理器或计算机的作用●数字信号处理器或计算机的作用：对离散的信号进行处理，如去除奇异点、加权处理、进行温度和非线性的补偿，及数字滤波。

第一章 信号及其描述（一）填空题1、 测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。

这些物理量就是 信号 ，其中目前应用最广泛的是电信号。

2、 信号的时域描述，以 时间 为独立变量；而信号的频域描述，以 频率 为独立变量。

3、 周期信号的频谱具有三个特点： 离散性 ， 谐波性 ， 收敛性 。

4、 非周期信号包括 准周期 信号和 瞬变周期 信号。

5、 描述随机信号的时域特征参数有 均值 、 均方值 、 方差 。

6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 关于Y 轴 （偶） 对称，虚频谱（相频谱）总是 关于原点（奇） 对称。

（二）判断对错题（用√或×表示）1、 各态历经随机过程一定是平稳随机过程。

（ √ ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。

（ √ ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。

（ × ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。

（ × ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。

（ √ ）（三）简答和计算题1、 求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。

2、 求正弦信号)sin()(0ϕω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ，和概率密度函数p(x)。

3、 求指数函数)0,0()(≥>=-t a Ae t x at 的频谱。

4、求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=T t T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。

5、求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x at ω的频谱。

第二章 测试装置的基本特性（一）填空题1、 某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。

2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。

第五章信号处理初步一、知识要点及要求(1)了解信号处理的目的和分类，及数字信号处理的基本步骤；(2)掌握模拟信号数字化出现的问题、原因和措施；(3)掌握信号的相关分析及其应用；(4)掌握信号的功率谱分析及其应用。

二、重点内容及难点(一)信号处理1、信号处理的目的(1)分离信号和噪声，提高信噪比；(2)从信号中提取有用的特征信号；(3)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。

2、信号处理的分类模拟信号处理：对模拟信号进行处理，由一系列能实现模拟运算的电路来实现。

数字信号处理：对数字信号进行处理，可以在通用计算机上借助程序来实现，或由专用数字信号处理机（DSP芯片）来实现。

(二)数字信号处理的基本步骤1、(1)电压幅值调整；(2)必要的滤波；(3)隔直；(4)解调。

2、A/D转换的作用：把模拟信号转换为数字信号，以便能用数字方法进行处理。

(1)采样：时间离散；(2)量化：幅值离散；(3)截断。

3、计算机或数字信号处理器的作用对数字化之后的信号进行处理。

(三)模拟信号的数字化1、时域采样和混叠时域采样，就是等时间间隔地取点。

从数学处理上看，就是乘以采样函数，时域相乘相当于频域作卷积，就相当于频谱的周期延拓，即频谱的搬移。

在频域中，如果频谱的搬移距离过小，搬移后的频谱就会有一部分相互交叠，从而使新合成的频谱与原频谱不一致，无法准确地恢复原时域信号，这种现象称为混叠。

2、时域截断和泄漏时域截断，就是取有限长的信号。

从数学处理上看，就是乘以有限宽矩形窗函数。

时域相乘相当于频域作卷积，就相当于频谱的周期延拓，即频谱的搬移。

在频域中，由于矩形窗函数的频谱是一个无限带宽的sinc函数，即使原模拟信号是有限带宽的，截断后也必然成为无限带宽的，这种信号的能量在频率轴分布扩展的现象称为泄漏。

3、频域采样和栅栏效应频域采样，就是在频率轴上等间隔地取点，使频率离散化。

从数学处理上看，就是乘以频率采样函数。

频域相乘相当于时域作卷积，就相当于时域波形的周期延拓，即频域波形的搬移。

第5章信号处理初步1信号为什么要处理？ 传感器获得的信号往往混有各种噪声。

噪声的来源可能是由于测试装 置本身的不完善，也可能是由于系统中混入其他的输入源。

信号的分 析与处理过程就是对测试信号进行去伪存真、排除干扰从而获得所需 的有用信息的过程。

一般来说，通常把研究信号的构成和特征值的过 程称为信号分析，把对信号进行必要的变换以获得所需信息的过程称 为信号处理，信号的分析与处理过程是相互关联的。

信号处理的方法包括模拟信号处理（ASP）和数字信号处理（DSP）。

1. 模拟信号处理法模拟信号处理法是直接对连续时间信号进行分析处理的方法，使用 模拟滤波器、乘法器、微分放大器等一系列模拟运算电路构成模拟 处理系统来获取信号的特征参数，如均值、均方根值、自相关函数、 概率密度函数、功率谱密度函数等。

2. 数字信号处理法 用数字或者符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理 设备，用数字的数值计算方法处理，达到提取信息的目的。

DSP狭 义理解为硬件的数字信号处理器。

广义理解为数字信号处理技术。

在此讨论的是广义理解。

2数字信号处理的基本步骤 数字信号处理是把连续时间信号转换为与其相应的数字信号的过程称之为 模/数(A/D)转换过程，反之则称为数/模(D/A)转换过程，它们是数字信号 处理的必要程序。

1. 信号预处理（信号调理） 信号的预处理是将信号变换成适于数字处理的形式，以减小数字处理的难 度。

它包括： (1) 信号电压幅值处理，使之适宜于采样； (2) 过滤信号中的高频噪声； (3) 隔离信号中的直流分量； (4)如果信号是调制信号，则进行解调。

2. A/D转换（本课程重点） A/D转换包括了在时间上对原信号等间隔采样、采样信号的保持、幅值上 的量化及编码，即把连续信号变成离散的时间序列。

33. 数字信号分析 数字信号分析可以在信号分析仪、通用计算机或专用数字信息处理机 上进行。

由于计算机只能处理有限长度的数据，所以要把长时间的序 列截断。