第6部分-信号处理初步解析课件.ppt
第五章 信号处理初步,本章学习要求：,1.了解数字信号处理系统的组成2.了解信号数字化出现的问题3.掌握采样定理4.掌握相关分析方法,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。,测试工作的目的：是获取反映被测对象的状态和特征的信息。但是有用的信号总是和各种噪声混杂在一起的，有时本身也不明显，难以直接识别和利用。只有分离信、噪，并经过必要的处理和分析、清除和修正系统误差之后，才能比较准确地提取测得信号中所含的有用信息。,第五章 信号处理初步,模拟信号处理系统数字信号处理系统,方法,模拟信号处理系统：由一系列能实现模拟运算的电路，诸如模拟滤波器、乘法器、微分放大器等环节组成。其中大部分环节在前行课程和前面几章中已有讨论。模拟信号处理也作为数字信号处理的前奏，例如滤波、限幅、隔直、解调等预处理。数字处理之后也常需作模拟显示、记录等。,数字信号处理系统：是用数字方法处理信号，它既可在通用计算机上借助程序来实现，也可以用专用信号处理机来完成。数字信号处理机具有稳定、灵活、快速、高效、应用范围广、设备体积小、重量轻等优点，在各行业中得到广泛的应用。,第五章 信号处理初步,第一节 数字信号处理的基本步骤,信号的预处理是把信号变成适于数字处理的形式，以减轻数字处理的困难。,预处理包括:1)电压幅值调理，以便适宜于采样，总是希望电压峰-峰值足够大，以便充分利用AD转换器的精确度。2)必要的滤波，以提高信噪比，并滤去信号中的高频噪声。3)隔离信号中的直流分量（如果所测信号中不应有直流分量）。4)如原信号经过调制，则应先行解调。预处理环节应根据测试对象、信号特点和数字处理设备的能力妥善安排。,模-数(A/D)转换是模拟信号经采样、量化并转化为二进制的过程。,第五章 信号处理初步,物理信号,对象,传感器,放大等预处理,A/D转换,数字信号,控制,物理信号,模拟信号,计算机,模拟信号,模拟信号,数字信号处理的基本步骤,第二节 信号数字化出现的问题,1.信号数字化处理过程,数字信号处理首先把一个连续变化的模拟信号转化为数字信号，然后由计算机处理，从中提取有关的信息。信号数字化过程包含着一系列步骤，每一步骤都可以引起信号和其蕴含信息的失真。现以计算一个模拟信号的频谱为例来说明有关的问题。,第五章 信号处理初步,信号数字化出现的问题,信号数字化出现的问题,2.时域采样、混叠和采样定理,采样是将采样脉冲序列 p(t)与信号 x(t)相乘，取离散点 x(nTs)的值的过程。,采样定理,X(0),X(1),X(2),X(n),采样定理,每周期应该有多少采样点？,采样定理,采样定理,频域解释,采样定理,x(t),|X(f)|,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 2 fh,需注意，满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。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。,采样定理,频率混叠：,正常,采样定理,A/D采样前的抗混叠滤波：,采样定理,3.量化与量化误差,采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列 离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程。,编码将经过量化的值变为二进制数字的过程。,量化把采样信号经过舍入变为只有有限个有效 数字的数，这一过程称为量化,A/D转换,量化与量化误差,4位A/D:X X X X,X(1)0101,X(2)0011,X(3)0000,X(4)0001,X(5)0100,1,2,3,4,5,6,7,8,量化与量化误差,模拟信号的输入范围为D 动态工作范围 如，0 5V，5V，0 10V，10V等。,A/D转换器的位数是一定的。一个b位（又称数据字长）的二进制数，共有L=2b个数码。,位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。以D=5V为例，Dx为,若最高位作为符号位，则两相邻量化电平之间的差Dx为,量化误差的最大值为(Dx/2),量化与量化误差,2)A/D转换器的技术指标,(3)模拟信号的输入范围;如，5V，+/-5V，10V，+/-10V等。,(1)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，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。,(2)转换速度;指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1KHz)；10us(100kHz),量化与量化误差,第三节 相关分析及其应用,一、两个随机变量的相关系数,通常，两个变量之间若存在一一对应的确定关系，则称两者存在着函数关系。当两个随机变量之间具有某种关系时，随着某一个变量数值的确定，另一变量却可能取许多不同值，但取值有一定的概率统计规律，这时称两个随机变量存在着相关关系。,变量 x 和 y 之间的相关程度常用相关系数表示,第五章 信号处理初步,下图分别表示了x、y两变量间的各种关系情况。,理想的线性相关,相关分析,二、信号的自相关函数,对各态历经随机信号及功率信号可定义：自相关函数,自相关系数,相关分析,周期信号,自相关函数有如下性质：,4）自相关函数是偶函数,1）取值范围,2）当t=0 时，自相关函数具有最大值（=均方值）。,3）当t 足够大或t 时，随机变量 x(t)和 x(t+t)之间不存在内在联系，彼此无关，即,5）周期信号的自相关函数仍然是同频率的周期信号，其幅值与原信号有关，但丢失了原信号的相位信息。,相关分析,相关分析,例 5-1,求正弦函数的自相关函数,周期信号,定义式,相关分析,三、信号的互相关函数,两个各态历经随机信号 x(t)和 y(t)可定义：互相关函数,周期信号,相关分析,如果 x(t)和 y(t)两信号是同频率的周期信号或者包含有同频率的周期成分，那么，即使t，互相关函数也不收敛并会出现该频率的周期成分。如果两信号含有频率不等的周期成分，则两者不相关。这就是说，同频率相关，不同频不相关。,相关分析,例 5-2,相关分析,
