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1、湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院第五章、数字信号处理技术第五章、数字信号处理技术工程测试技术基础工程测试技术基础本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解信号模数转换和数模转换原理了解信号模数转换和数模转换原理 2.2.掌握信号采样定理，能正确选择采样频率掌握信号采样定理，能正确选择采样频率 3.3.了了解解数数字字信信号号处处理理中中信信号号截截断断、能能量量泄泄露露、栅栏效应等现象栅栏效应等现象 4.4.掌握常用的数字信号处理方法掌握常用的数字信号处理方法湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.1 5.1 数字信号处理概述数字信号处理概述 第五章、数字信号处理技术第五章、数字信号
2、处理技术1 1、数字信号处理的主要研究内容、数字信号处理的主要研究内容 数数字字信信号号处处理理主主要要研研究究用用数数字字序序列列来来表表示示测测试试信信号号，并并用用数数学学公公式式和和运运算算来来对对这这些些数数字字序序列列进进行行处处理理。内内容容包包括括数数字字波波形形分分析析、幅幅值值分分析析、频谱分析和数字滤波。频谱分析和数字滤波。0AtX(0)X(1)X(2)X(3)X(4)湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院第五章、数字信号处理技术第五章、数字信号处理技术2 2、测试信号数字化处理的基本步骤、测试信号数字化处理的基本步骤 物理信号物理信号对象对象传传感感器器电信号电信号放
3、放大大调调制制电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号计计算算机机显显示示D/A转换转换电信号电信号控制控制物理信号物理信号湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.1 数字信号处理概述数字信号处理概述 3 3、数字信号处理的优势、数字信号处理的优势 1)1)用数学计算和计算机显示代替复杂的电路用数学计算和计算机显示代替复杂的电路 和机械结构和机械结构湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.1 数字信号处理概述数字信号处理概述 b)b)灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.
4、1 数字信号处理概述数字信号处理概述 案例：铁路机车案例：铁路机车FSKFSK信号检测与分析信号检测与分析京广线计划提速到京广线计划提速到200200公里公里/小时小时合作任务：机车状态信号识别合作任务：机车状态信号识别(频率解调频率解调)虚拟仪器设计方案虚拟仪器设计方案湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.2 5.2 信号数字化中的一些问题信号数字化中的一些问题 5.2.1 5.2.1模数模数(A/D)(A/D)和数模和数模(D/A)(D/A)第五章、数字信号处理技术第五章、数字信号处理技术采样采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列 离散值，使之成
5、为采样信号离散值，使之成为采样信号x(nTs)x(nTs)的过程的过程 编码编码将经过量化的值变为二进制数字的过程。将经过量化的值变为二进制数字的过程。量化量化把采样信号经过舍入变为只有有限个有把采样信号经过舍入变为只有有限个有 效数字的数，这一过程称为量化效数字的数，这一过程称为量化1 1、A/DA/D转换转换 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院2)A/D2)A/D转换器的技术指标转换器的技术指标 5.2 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)(3)(3)模拟信号的输入范围模拟信号的输入范围;如，如，5V5V，+/-5V+/-5V，10V10V
6、，+/-10V+/-10V等。等。(1)(1)分辨率分辨率;用输出二进制数码的位数表示。位数越多，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。常用有量化误差越小，分辨力越高。常用有8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1616位等。位等。(2)(2)转换速度转换速度;指完成一次转换所用的时间，如指完成一次转换所用的时间，如:1ms(1KHz):1ms(1KHz)；10us(100kHz)10us(100kHz)湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院2 2、D/AD/A转换过程和原理转换过程和原理 5.2 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)D/A D/A转换器
7、是把数字信号转换为电压或电流信转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。号的装置。D/AD/A转换器的技术指标转换器的技术指标 分辨率分辨率;转换速度转换速度;模拟信号的输出范围模拟信号的输出范围;湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院第五章、数字信号处理技术第五章、数字信号处理技术X(0),X(1),X(2),X(n)湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院第五章、数字信号处理技术第五章、数字信号处理技术采样可看成被采样函数和脉冲系列相乘采样可看成被采样函数和脉冲系列相乘湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程
8、学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.2.2 采样定理采样定理 需需注注意意，满满足足采采样样定定理理，只只保保证证不不发发生生频频率率混混叠叠，而而不不能能保保证证此此时时的的采采样样信信号号能能真真实实地地反反映映原原信信号号x(t)x(t)。工工程程实实际际中中采采样样频频率率通通常常大大于于信信号号中最高频率成分的中最高频率成分的3 3到到5 5倍。倍。湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院采样定理采样定理 5.2.2 采样定理采样定理 为为保保证证采采样样后后信信号号能能真真实实地地保保留留原原始始模模拟拟信信号号信信息息，信信号号
9、采采样样频频率率必必须须至至少少为为原原信信号号中中最最高高频频率率成成分分的的2 2倍倍。这这是是采采样样的的基基本本法法则则，称称为为采采样定理。样定理。Fs 2 Fmax 湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.3 采样定理采样定理 频混计算：频混计算：FsFsFsFs频混频混正常正常Fs/2工程处理：工程处理：混迭频率混迭频率=Fs-=Fs-信号频率信号频率湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.3 采样定理采样定理 A/DA/D采样前的抗混迭滤波：采样前的抗混迭滤波：物理信号物理信号对象对象传传感感器器电信号电信号放放大大调调制制电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号展开
10、展开低通滤波低通滤波(0-Fs/2)(0-Fs/2)放大放大湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.2.2 采样定理采样定理 动手做：动手做：将声卡作为将声卡作为A/D、D/A卡卡,设计一个双通道信号采集设计一个双通道信号采集器和信号发生器。器和信号发生器。湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.2.3 信号的截断、能量泄漏信号的截断、能量泄漏 周周期期延延拓拓后后的的信信号号与与真真实实信信号号是是不不同同的的，下下面面我我们们就就从从数数学学的的角角度度来来看看这这种种处处理理带带来来的的误误差差情情况。况。设有余弦信号设有余弦信号x(t),
11、x(t),用矩形窗函数用矩形窗函数w(t)w(t)与其相乘，与其相乘，得到截断信号得到截断信号:y:y(t)=x(t)w(t)(t)=x(t)w(t)将将截截断断信信号号谱谱 X XT T()()与与原原始始信信号号谱谱X()X()相相比比较较可可知知，它它已已不不是是原原来来的的两两条条谱谱线线，而而是是两两段段振振荡荡的的连连续续谱谱.原原来来集集中中在在f0f0处处的的能能量量被被分分散散到到两两个个较较宽宽的的频频带带中中去去了了，这这种种现现象象称称之之为为频频谱能量泄漏。谱能量泄漏。湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.4 信号的截断、能量泄漏信号的截断、能量泄漏 周期延拓信号与真实信号是不同的：周期延拓信号与真实信号是不同的：能量泄漏误差能量泄漏误差湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院5.3 采样定理采样定理 能量泄漏实验：能量泄漏实验：湘潭大学机械工程学院湘潭大学机械工程学院