基于LabVIEW的信号处理.ppt

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1、声明,本课件供虚拟仪器技术、自动测试技术等相关课程教师授课使用与参考.教师可根据课程需要和实际情况在此课件基础上增删内容本课件版权属NI(中国)公司所有，供中国大陆地区高校教师无偿使用或在课程中引用，但使用或引用之前请联系NI(中国)公司高校市场部获得免费使用授权(联系方式)本课件不得用于公开出版或其他商业用途.如需在公开出版物中引用其中部分内容,请与NI(中国)公司高校市场部联系获得授权,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Signal Processing,通讯：信道消噪,生物：医电分析,回顾:一种典型的虚拟

2、仪器系统,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,Vrms2,500 Hz,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,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

3、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Express VI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Express VI,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,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

4、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,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LabV

5、IEW交互式的环境便于完成需要反复试验(Trial and error)的预处理任务,图形化编程 VI前面板,调试探针(Probe)Express VI,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,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

6、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,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2FRF,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

7、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,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,LabVIEW变换函数的特点,功能全面FFT、Hilbert变换、Har

8、tley变换、Walsh Hadamard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：Online Gabor Transform、Online Gabor Expansion,LabVIEW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,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,Good,Pitch,Crack,Zee,在实际生产线上，可以通过AR建模残差的大小来检测故

9、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可以根据实际测量数据实时尝试不同的信号处理算法效果，决定最终的算法开发效率高内置超过1,000种现成的信号处理函数，可直接调用概率统计、微积分、曲线拟合插值、最优化等数学函数频谱分析、小波、时频、滤波器设计、特征提取、多通道分析等调制/解调等也可以编写自定义的信号处理算法,LabVIEW中的信号分析与处理常用函数,信号处理函数选板,数学选板,数字滤波器设计*,频谱测量*,声音与振动*,高级信号处理(时频分析、小波分析等)*,调制解调*,结合硬件进行信号

10、处理,PCI,PXI,USB,Wireless,CompactDAQ,同一应用程序 多种目标硬件,无论你的数据来自于何种数据采集平台，LabVIEW数据采集和信号处理的程序是一样的,ELVIS,举例,基于myDAQ实现声音信号的采集和声强分析及阈值报警采集音乐信号设阈值并监控根据警报值输出,举例,进一步实现在线音效处理（功率谱分析和滤波均衡）,调用文本语言下的信号处理代码,通过公式节点和MathScript节点可在LabVIEW中调用文本语言程序也可以通过调用DLL等方式连接文本语言的编译结果（可自学）,通过MathScript节点调用Matlab代码,LabVIEW中内置的文本数学语言，提供

11、900多个数学、信号处理函数兼容m文件脚本语法和对矩阵的操作，可以重用m-script代码并验证算法可与LabVIEW图形化编程结合，实现交互式的图形化用户界面快速的硬件实现与原型化,通过MathScript节点调用Matlab代码,参考资源,LabVIEW“信号处理实验室”和“通信原理实验室”与信号与系统与数字信号处理经典教材图例配套的LabVIEW程序,LabVIEW信号处理实际应用举例,波音777客机的起降噪声源定位,应用波音公司使用LabVIEW实现超过300通道振动信号的同步采样与分析，分析飞机起降噪声来源，从而对发动机外壳进行优化，降低了客机起飞时的噪声，同时降低油耗,LabVIEW信号处理实际应用举例,鸟巢体育场结构健康监测,应用基于LabVIEW与CompactRIO平台，对2008北京奥运体育场进行连续时间振动监测，包括结构模型验证、监测突发事件等工作,