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6-第三章数字信号处理基础.ppt

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6-第三章数字信号处理基础.ppt
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第三节、数字信号的分析与处理基础,模拟系统与数字信号磁带与MP3 声卡的A/D与D/A数字信号处理技术: 数字信号处理软件\硬件,信号分析和信号处理的目的 1)剔除信号中的噪声和干扰,即提高信噪比(SNR); 2)消除测量系统的误差,修正畸变的波形; 3)强化、突出有用信息,削弱无用部分; 4)将信号加工、处理、变换,以便更容易识别和分析信号的特征,解释被测对象所表现的各种物理现象。信号分析和信号处理是密切相关的,二者并没有明确的界限。一般这两个词并不加以区分。,一.数字信号处理基本步骤,1、数字信号处理的主要研究内容,数字信号处理主要研究用数字序列来表示测试信号,并用数学公式和运算来对这些数字序列进行处理。其主要内容包括数字波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波。,研究信号的构成和特征值称为信号分析; 把信号经过必要的加工变换,以获得有用信息的过程称为信号处理。由以上定义可知,信号分析并不影响信号本身的结构,而信号处理则有可能改变信号本身的结构。,2、测试信号数字化处理的基本步骤,数字信号分析技术,,,显示,D/A转换,,控制,3、数字信号处理的优势,1)用数学计算和计算机显示代替复杂的电路和机械结构,十进制转二进制,幅值域离散,4. A/D转换过程,采样――利用采样脉冲序列p(t),从连续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值,使之成为采样信号x(nTs)的过程.,编码――将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。,时域离散,采样频率?,量化误差?,二进制?,量化误差图示,量化误差:计算方法 0-10V,8位A/D误差:20mv,4. A/D转换器的指标,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);3)模拟信号的输入范围如,5V, +/-5V,10V,+/-10V等。,采样过程关键问题:采样频率的确定,二 时域采样及采样定理,1 采样信号的频谱,采样过程是将采样脉冲序列g(t) (即comb(t,Ts),Fs=1/Ts为采样频率)与信号x(t)相乘.,采样函数,采样,2.混叠现象,频域解释,,3.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>2fmax,需要注意的是,在对信号进行采样时,满足了采样定理,只能保证不发生频率混叠,只能保证对信号的频谱作逆傅立叶变换时,可以完全变换为原时域采样信号xs(t),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4倍,甚至10倍以上。,频混计算:,正常,概念介绍:抗混迭滤波:,计算机,,显示,四 信号的截断、能量泄漏、窗函数,为便于数学处理,通常对截断的信号做周期延拓,得到虚拟的无限长的信号。,当运用计算机进行测试信号处理时,不可能对无限长的信号进行测量和运算,而是取其有限的时间片段进行分析,这个信号截取过程成为信号的截断。 方法:乘窗函数,周期延拓后的信号与真实信号是不同的,下面我们就从数学的角度来看这种处理带来的误差情况。,设有余弦信号x(t), 用矩形窗函数w(t)与其相乘,得到截断信号: y(t) =x(t)w(t),将截断信号谱 XT(ω)与原始信号谱X(ω)相比较可知,它已不是原来的两条谱线,而是两段振荡的连续谱. 原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中去了,这种现象称之为频谱能量泄漏。,由截断产生泄漏是必然的,因截断后的信号为无限带宽函数,即信号的频域能量分布被扩展了;截断引起泄漏,必然导致误差,不可避免。减小泄漏:增大窗的宽度和选择好的窗函数 分析原因主瓣泄漏与旁瓣泄漏,能量泄漏分主瓣泄漏和旁瓣泄漏,主瓣泄漏可以减小因栅栏效应带来的谱峰幅值估计误差,有其好的一面,而旁瓣泄漏则是完全有害的。 大主瓣的窗函数泄漏少,由截断带来的误差小,常用的窗函数 类型: 1.幂窗:如矩形、三角形、梯形等 2.三角函数窗 :如汉宁窗、海明窗 3.指数窗:如高斯窗,1)矩形窗,特点:主瓣窄(分辨率高),旁瓣大(泄漏大) 应用:获得精确频谱主峰频率,属于时间变量的0幂次窗,2)三角窗(费杰feijer窗),特点:主瓣宽(矩2倍),旁瓣小且无负值,所以泄漏比矩形窗小,3)汉宁(hanning)窗,特点:主瓣T/2(矩一半),宽4/T(矩一倍),旁瓣小,明显抑制泄漏,分辨力差 应用:DFT周期延拓,平滑并削弱信号两端抑制泄漏,,,4)指数窗,,特点:主瓣很宽,无旁瓣,分辨力低 应用:脉冲响应,抑制噪声,窗选择原则 仅频率要求高:主瓣窄 有较强噪声的窄带信号:旁瓣幅度小,如汉宁、三角 随时间按指数衰减的函数:
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