《工程測試技術(shù)》課件PPT,工程測試技術(shù),工程,測試,技術(shù),課件,PPT 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p1工程測試技術(shù)工程測試技術(shù)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p2工程測試技術(shù)工程測試技術(shù)本章學習要求：本章學習要求：1.1.掌握信號模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換原理掌握信號模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換原理 2.2.掌握信號采樣定理，能正確選擇采樣頻率掌握信號采樣定理，能正確選擇采樣頻率 3.3.了了解解數(shù)數(shù)字字信信號號處處理理中中信信號號截截斷斷、能能量量泄泄漏漏、柵欄效應等現(xiàn)象柵欄效應等現(xiàn)象 4.4.了解常用數(shù)字信號處理方法了解常用數(shù)字信號處理方法5.5.了解數(shù)字濾波方法了解數(shù)字濾波方法第第5章數(shù)字信號處理章數(shù)字信號處理華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p3工程測試技術(shù)工程測試技術(shù)上講內(nèi)容上講內(nèi)容5.1 數(shù)字信號處理概述 p128-1295.2 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換 p129-136 5.3 采樣定理 p40-41,p136-1375.4 信號截斷與能量泄漏p138-139 5.5 DFT與FFT p42-445.6 柵欄效應與窗函數(shù)p139-1425.7 常用的數(shù)字信號處理算法5.8 數(shù)字濾波p142-1455.9 數(shù)據(jù)壓縮 p146-1505.10 DSP系統(tǒng)設計 p150-154本講內(nèi)容本講內(nèi)容華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p45.4信號的截斷、能量泄漏信號的截斷、能量泄漏為便于數(shù)學處理，對截斷信號做周期延拓，得到虛擬的無限長信號。為便于數(shù)學處理，對截斷信號做周期延拓，得到虛擬的無限長信號。用用計計算算機機進進行行測測試試信信號號處處理理時時，不不可可能能對對無無限限長長的的信信號號進進行行測測量量和和運運算算，而而是是取取其其有有限限的的時時間片段進行分析，這個過程稱信號截斷。間片段進行分析，這個過程稱信號截斷。5.4信號的截斷、能量泄漏信號的截斷、能量泄漏華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p55.4信號的截斷、能量泄漏信號的截斷、能量泄漏 周周期期延延拓拓后后的的信信號號與與真真實實信信號號是是不不同同的的，下下面就從數(shù)學角度來看這種處理帶來的誤差情況。面就從數(shù)學角度來看這種處理帶來的誤差情況。設有余弦信號設有余弦信號x(tx(t),),用矩形窗函數(shù)用矩形窗函數(shù)w(tw(t)與其與其相乘，得到截斷信號相乘，得到截斷信號:y(t)=x(t)w(t)將將截截斷斷信信號號譜譜 XT()與與原原始始信信號號譜譜X()相相比比較較可可知知，它它已已不不是是原原來來的的兩兩條條譜譜線線，而而是是兩兩段段振振蕩蕩的的連連續(xù)續(xù)譜譜.原原來來集集中中在在f0處處的的能能量量被被分分散散到到兩兩個個較較寬寬的的頻頻帶帶中中去去了了，這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱之之為為頻頻譜譜能能量泄漏量泄漏。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p65.4信號的截斷、能量泄漏信號的截斷、能量泄漏周期延拓信號與真實信號是不同的：周期延拓信號與真實信號是不同的：能量泄漏誤差能量泄漏誤差頻譜失真頻譜失真華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p75.4信號的截斷、能量泄漏信號的截斷、能量泄漏 能量泄漏實驗：能量泄漏實驗：華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p85.4信號的截斷、能量泄漏信號的截斷、能量泄漏 克服方法之一：信號整周期截斷克服方法之一：信號整周期截斷華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p95.5DFT與與FFT5.5.1離散傅立葉變換離散傅立葉變換 Discrete Fourier Transform一詞是為適應計一詞是為適應計算機作傅里葉變換運算而引出的一個專用名詞。算機作傅里葉變換運算而引出的一個專用名詞。x(t)截斷、周期延拓截斷、周期延拓xT(t)周期信號周期信號x xT T(t(t)的傅里葉變換：的傅里葉變換：5.5DFT與與FFT華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p105.5DFT與與FFT對周期信號對周期信號x xT T(t(t)采樣，得離散序列采樣，得離散序列x xT T(n(n),),將將積分轉(zhuǎn)為集合：積分轉(zhuǎn)為集合：展開，得連續(xù)傅立葉變換計算公式：展開，得連續(xù)傅立葉變換計算公式：用計算機編程很容易計算出指定頻率點值用計算機編程很容易計算出指定頻率點值 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p11f=？/計算的頻率點計算的頻率點fs=?N=1024dt=1.0/Fspi=3.1415926 XR=0XI=0 For n=0 To N-1 XR=XR+x(n)*cos(2*pi*f*n*dt)*dt XI=XI+x(n)*sin(2*pi*f*n*dt)*dtNextA=sqr(XR*XR+XI*XI)Q=atn(XI/XR)VBScript 樣例樣例5.5DFT與與FFT 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p125.5DFT與與FFT 連續(xù)傅立葉變換編程計算實驗：連續(xù)傅立葉變換編程計算實驗：華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p13采采樣樣信信號號頻頻譜譜是是一一個個連連續(xù)續(xù)頻頻譜譜，不不可可能能計計算算出所有頻率點值，設頻率取樣間隔為：出所有頻率點值，設頻率取樣間隔為：f=fs/N 頻率取樣點為頻率取樣點為0,f,2f,3f,.，有：，有：5.5DFT與與FFT 該公式就是離散傅立葉計算公式該公式就是離散傅立葉計算公式(DFT)(DFT)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p145.5DFT與與FFTFast Fourier Transform是是DFTDFT的的一一種種有有效效的的算算法，通過選擇和重新排列中間結(jié)果，減小運算量。法，通過選擇和重新排列中間結(jié)果，減小運算量。展開各點的展開各點的DFTDFT計算公式：計算公式：XR(1)=x(0).cos(2pi*0*1/N)+x(1).cos(2pi*1*1/N)+x(2).cos(2pi*2*1/N).XR(2)=x(0).cos(2pi*0*2/N)+x(1).cos(2pi*1*2/N)+x(2).cos(2pi*2*2/N).5.5.2快速傅立葉變換快速傅立葉變換華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p155.5DFT與與FFT 有大量重復的有大量重復的coscos、sinsin計算，計算，F(xiàn)FTFFT的作用就是的作用就是用技巧減少用技巧減少coscos、sinsin項重復計算。項重復計算。當采樣點數(shù)為當采樣點數(shù)為10241024點點,DFT,DFT要求一百萬次以上要求一百萬次以上計算量，而計算量，而FFTFFT則只要求一萬次。則只要求一萬次。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p165.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù) 5.5.1柵欄效應柵欄效應 為為提提高高效效率率,通通常常采采用用FFT算算法法計計算算信信號號頻頻譜譜，設設數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)點點數(shù)數(shù)為為N，采采樣樣頻頻率率為為fs。則則計計算算得到的離散頻率點為得到的離散頻率點為:X(fi),fi=i*fs/N,i=0,1,2,.,N/2 X(f)f0f如果信號中的頻率分如果信號中的頻率分量與頻率取樣點不重量與頻率取樣點不重合，則只能按四舍五合，則只能按四舍五入的原則，取相鄰的入的原則，取相鄰的頻率取樣點譜線值代頻率取樣點譜線值代替。替。5.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p175.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù)頻頻譜譜的的離離散散取取樣樣造造成成了了柵柵欄欄效效應應，譜譜峰峰越越尖尖銳，產(chǎn)生誤差的可能性就越大。銳，產(chǎn)生誤差的可能性就越大。例如，余弦信號的頻譜為線譜。當信號頻例如，余弦信號的頻譜為線譜。當信號頻率與頻譜離散取樣點不等時，柵欄效應的誤差率與頻譜離散取樣點不等時，柵欄效應的誤差為無窮大。為無窮大。5.5.2能量泄漏與柵欄效應的關(guān)系能量泄漏與柵欄效應的關(guān)系華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p185.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù)實際應用中，由于信號截斷的原因，產(chǎn)生了實際應用中，由于信號截斷的原因，產(chǎn)生了能量泄漏，即使信號頻率與頻譜離散取樣點不相能量泄漏，即使信號頻率與頻譜離散取樣點不相等，也能得到該頻率分量的一個近似值。等，也能得到該頻率分量的一個近似值。從這個意義上說，從這個意義上說，能量泄漏誤差不完全是有能量泄漏誤差不完全是有害的。害的。如果沒有信號截斷產(chǎn)生的能量泄漏，頻譜如果沒有信號截斷產(chǎn)生的能量泄漏，頻譜離散取樣造成的柵欄效應誤差將是不能接受的。離散取樣造成的柵欄效應誤差將是不能接受的。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p195.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù)能能量量泄泄漏漏分分主主瓣瓣泄泄漏漏和和旁旁瓣瓣泄泄漏漏，主主瓣瓣泄泄漏漏可可以以減減小小因因柵柵欄欄效效應應帶帶來來的的譜譜峰峰幅幅值值估估計計誤誤差差，有好的一面，而旁瓣泄漏則是有害的。有好的一面，而旁瓣泄漏則是有害的。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p205.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù)1 1）矩形窗）矩形窗 5.5.3常用的窗函數(shù)常用的窗函數(shù)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p215.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù)2 2）三角窗）三角窗 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p225.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù)3 3）漢寧窗）漢寧窗華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p235.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù) 常用窗函數(shù)常用窗函數(shù)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p245.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù) 窗函數(shù)在減小柵欄效應誤差中的作用實驗：窗函數(shù)在減小柵欄效應誤差中的作用實驗：華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p255.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù) 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p265.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù) 總結(jié)：總結(jié)：信號截斷信號截斷能量泄漏能量泄漏FFTFFT柵欄效應柵欄效應從克服柵欄效應誤差角度看，能量泄漏是有利的。從克服柵欄效應誤差角度看，能量泄漏是有利的。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p275.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù) 通過加窗控制能量泄漏，減小柵欄效應誤差：通過加窗控制能量泄漏，減小柵欄效應誤差：加矩形窗加矩形窗加漢寧窗加漢寧窗華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p285.6柵欄效應與窗函數(shù)柵欄效應與窗函數(shù) 動手做：動手做：設計一個離散傅立葉計算設計一個離散傅立葉計算程序，計算方波的頻譜。程序，計算方波的頻譜。觀察柵欄效應帶來的計算觀察柵欄效應帶來的計算誤差。誤差。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p295.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法數(shù)字信號處理是測試技數(shù)字信號處理是測試技術(shù)中最常用和最需要掌握的術(shù)中最常用和最需要掌握的部分，無論開發(fā)簡單或復雜部分，無論開發(fā)簡單或復雜的測控系統(tǒng)或儀器，都會用的測控系統(tǒng)或儀器，都會用到數(shù)字信號處理知識。到數(shù)字信號處理知識。5.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p30時域波形分析是最常用的時域波形分析是最常用的信號分析手段，用示波器、萬信號分析手段，用示波器、萬用表等普通儀器顯示信號波形用表等普通儀器顯示信號波形就可以獲得特征參數(shù)。就可以獲得特征參數(shù)。5.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法 0At峰值峰值/雙峰值雙峰值均值均值有效值有效值方差方差周期周期5.7.1時域波形參數(shù)計算時域波形參數(shù)計算華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p31波形分析的應用波形分析的應用超門限報警超門限報警 信號類型識別信號類型識別 信號基本參數(shù)識別信號基本參數(shù)識別 P Pp-pp-p5.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p321)峰值峰值P，雙峰值，雙峰值Pp-pP1=data(0)P2=data(0)For K=0 To NIf P1data(k)Then P2=data(k)End IfNextP=P1P2P=P1-P25.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法PPp-p華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p332)2)均值均值U=0For K=0 To N U=U+data(k)NextU=U/N5.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p343)3)均方值均方值E2=0For K=0 To NE2=E2+data(k)*data(k)NextRMS=sqr(E2/N)5.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p354)4)方差方差V2=0For K=0 To NV2=V2+(data(k)-U)*(data(k)-U)NextV=V2/N5.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法方差方差 均方差均方差 U=0For K=0 To N U=U+data(k)NextU=U/N華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p365.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法案例：管道壓力監(jiān)測與超門限報警案例：管道壓力監(jiān)測與超門限報警華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p37信號幅值報警系統(tǒng)設計實驗：信號幅值報警系統(tǒng)設計實驗：5.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p385)5)周期周期T Tn=1AT=0.8*PFor k=2 To N If data(k-1)AT And data(k-2)AT And data(k+2)AT Then ti(n)=k n=n+1 End IfNextT=(ti(2)-ti(1)*dt5.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法AtT穿越判斷法穿越判斷法AT華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p395.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法案例：發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量案例：發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p405.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法案例：煤礦機車速度檢測案例：煤礦機車速度檢測傳感器：接近開關(guān)傳感器：接近開關(guān)轉(zhuǎn)速測量：脈沖的升降沿觸發(fā)計數(shù)轉(zhuǎn)速測量：脈沖的升降沿觸發(fā)計數(shù)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p415.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法案例：煤礦機車速度檢測案例：煤礦機車速度檢測 計數(shù)模塊和計數(shù)模塊和CPUCPU模塊模塊華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p42數(shù)字轉(zhuǎn)速表設計實驗：數(shù)字轉(zhuǎn)速表設計實驗：5.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p435.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法實驗：時域波形參數(shù)計算實驗：時域波形參數(shù)計算華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p445.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法 變量之間的相依關(guān)系稱為相關(guān)。信號之間的變量之間的相依關(guān)系稱為相關(guān)。信號之間的相似關(guān)系稱為相關(guān)函數(shù)。相似關(guān)系稱為相關(guān)函數(shù)。0At5.7.2數(shù)字相關(guān)函數(shù)計算數(shù)字相關(guān)函數(shù)計算xyxyxy華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p455.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法 x(t)y(t)時時延延器器乘乘法法器器y(t-)X(t)y(t-)積積分分 器器Rxy()For i=0 To Nr(i)=0For j=0 To N r(i)=r(i)+x(j)*y(j+i)NextNextFor i=0 To N r(i)=r(i)/NNext歸一化處理歸一化處理計算公式：計算公式：華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p465.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法 相關(guān)分析的工程應用相關(guān)分析的工程應用 P46案例：機械加工表面粗糙度自相關(guān)分析案例：機械加工表面粗糙度自相關(guān)分析 被測被測工件工件相關(guān)分析相關(guān)分析提取出回轉(zhuǎn)誤差等周期性的故障源。提取出回轉(zhuǎn)誤差等周期性的故障源。周期性周期性華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p47實驗：自相關(guān)分析實驗：自相關(guān)分析5.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p485.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法 f=？Fs=?N=1024dt=1.0/Fspi=3.1415926 XR=0XI=0 For n=0 To N-1 XR=XR+x(n)*cos(2*pi*f*n*dt)*dt XI=XI+x(n)*sin(2*pi*f*n*dt)*dtNextA=sqr(XR*XR+XI*XI)Q=atn(XI/XR)連續(xù)傅里葉變換計算公式為：連續(xù)傅里葉變換計算公式為：5.7.3信號頻率成分直接估計算法信號頻率成分直接估計算法 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p495.7常用的數(shù)字信號處理算法常用的數(shù)字信號處理算法 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p505.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 無無論論復復雜雜度度如如何何，把把測測量量裝裝置置作作為為一一個個系系統(tǒng)統(tǒng)來來看看待待。問問題題簡簡化化為為處處理理輸輸入入量量x(t)x(t)、系系統(tǒng)統(tǒng)傳傳輸輸特特性性h(t)h(t)和輸出和輸出y(t)y(t)三者之間的關(guān)系。三者之間的關(guān)系。x(t)h(t)y(t)輸入量輸入量系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性輸出輸出y(t)=X(t)*h(t)卷積分卷積分補充：測試系統(tǒng)動態(tài)特性補充：測試系統(tǒng)動態(tài)特性華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p515.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 3)3)如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計系統(tǒng)的輸出量。系統(tǒng)的輸出量。(預測預測)系統(tǒng)分析中的三類問題：系統(tǒng)分析中的三類問題：1)1)當輸入、輸出是可測量的當輸入、輸出是可測量的(已知已知)，可以通過它，可以通過它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。(系統(tǒng)辨識系統(tǒng)辨識)2)2)當系統(tǒng)特性已知，輸出可測量，可以通過它們當系統(tǒng)特性已知，輸出可測量，可以通過它們推斷導致該輸出的輸入量。推斷導致該輸出的輸入量。(反求反求)x(t)h(t)y(t)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p525.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 描述系統(tǒng)動態(tài)特性更為廣泛的函數(shù)是傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)定義：x(t)、y(t)及其各階導數(shù)的初始值為零，系統(tǒng)輸出信號的拉普拉斯變換(拉氏變換)與輸入信號的拉氏變換之比，記為式中式中 為輸出信號的拉氏變換為輸出信號的拉氏變換 為輸入信號的拉氏變換為輸入信號的拉氏變換s為拉氏變換算子為拉氏變換算子:和和 皆為實變量，復頻率皆為實變量，復頻率華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p535.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 x輸入量輸入量y輸出量輸出量作作為為一一種種數(shù)數(shù)學學模模型型，測測量量裝裝置置的的傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)與與測測量量信信號號無無關(guān)關(guān)，也也不不能能確確定定裝裝置置的的物物理理結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，只只表表示示測測量量裝裝置置本身在本身在傳輸和轉(zhuǎn)換測量信號中的特性或行為方式傳輸和轉(zhuǎn)換測量信號中的特性或行為方式。傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)以以測測量量裝裝置置本本身身的的參參數(shù)數(shù)表表示示出出輸輸入入與與輸輸出出之之間間的的關(guān)關(guān)系系，所所以以它它將將包包含含著著聯(lián)聯(lián)系系輸輸入入量量與與輸輸出出量量所所必必須的須的單位單位。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p545.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 利用利用離散時間系統(tǒng)離散時間系統(tǒng)特性對輸入信號進行加工特性對輸入信號進行加工處理，把輸入序列處理，把輸入序列 x(n)變換成一定的輸出序列變換成一定的輸出序列 y(n)，從而達到改變從而達到改變信號頻率構(gòu)成信號頻率構(gòu)成的目的。的目的。5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波從廣義講，數(shù)字濾波是由計算機程序來實現(xiàn)從廣義講，數(shù)字濾波是由計算機程序來實現(xiàn)的，是具有的，是具有某種算法的數(shù)字處理某種算法的數(shù)字處理過程！過程！華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p55離散時間系統(tǒng)離散時間系統(tǒng)或?qū)懗蓎(n)是輸出響應，是輸出響應，x(n)是輸入激勵。是輸入激勵。N，M分別是分別是y(n)，x(n)的最高位移階次。的最高位移階次。輸入輸出數(shù)學模型用差分方程描述：x(n)h(n)y(n)5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p56數(shù)字濾波器響應數(shù)字濾波器響應h(n)稱為數(shù)字濾波器的單位脈沖響應，其頻譜為頻率響應相位響應相位響應離散信號的幅值響應離散信號的幅值響應x(n)h(n)y(n)設數(shù)字濾波器的脈沖響應序列為h(0),h(1),h(2),則系統(tǒng)輸入輸出可寫成離散卷積形式：5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p57利用數(shù)字濾波器的頻率響應，對輸入序列的頻譜進行加權(quán)改造X(f)H(f)Y(f)數(shù)字濾波原理數(shù)字濾波原理5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p58數(shù)字濾波器與模擬濾波器比較數(shù)字濾波器與模擬濾波器比較5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p59數(shù)字濾波器的數(shù)字濾波器的Z傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)若濾波器處于零狀態(tài)（無慣性），利用z變換可將卷積式變換為數(shù)字濾波器是線性時不變離散系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)H(z)是z-1的有理函數(shù)有限沖擊響應FIR濾波器：ak=0(k=1,2,N)h(n)有限長h(n)無限長無限沖擊響應IIR濾波器：ak0(k=1,2,N)5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p60用數(shù)字卷積分公式對數(shù)字化后的測量信號x(n)進行處理y(n)為濾波后的信號，M為采樣信號的長度采用一個兩重的循環(huán)語句結(jié)構(gòu)，用加、減、乘運算和幾條程序語句就可以實現(xiàn)數(shù)字濾波過程。難點是如何按照應用需要快速構(gòu)造數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H(z)，即求取濾波器系數(shù)ak和bk。數(shù)字濾波器的實現(xiàn)數(shù)字濾波器的實現(xiàn)有限沖擊響應FIR濾波器：ak=0(k=1,2,N)無限沖擊響應IIR濾波器：ak0(k=1,2,N)5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p61FIR濾波器的設計窗函數(shù)法頻率取樣法優(yōu)化法數(shù)字濾波器設計方法數(shù)字濾波器設計方法IIR濾波器的設計雙線性變換法數(shù)字巴特沃斯濾波器數(shù)字切比雪夫濾波器5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p62數(shù)字濾波器系數(shù)有專用軟件計算，這里我們數(shù)字濾波器系數(shù)有專用軟件計算，這里我們提供一個計算工具：提供一個計算工具：5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p63 將數(shù)字濾波器系數(shù)帶入公式中就可以對信號將數(shù)字濾波器系數(shù)帶入公式中就可以對信號進行數(shù)字濾波。進行數(shù)字濾波。For i=0 To N7 Y(i)=-0.064X(i-0)+0.041X(i-1)+0.301X(i-2)+0.454X(i-3)+0.301X(i-4)+0.041X(i-5)-0.064X(i-6)Next5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p64樣例信號：樣例信號：5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p65數(shù)字濾波應用實例數(shù)字濾波應用實例:濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律5.8數(shù)字濾波數(shù)字濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p665.9數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)壓縮作用：能較快地傳輸各種信號，如傳真、Modem通信等；在現(xiàn)有的通信干線并行開通更多的多媒體業(yè)務，如各種增值業(yè)務；緊縮數(shù)據(jù)存儲容量，如CDROM、VCD和DVD等；降低發(fā)信機功率，這對于多媒體移動通信系統(tǒng)尤為重要。通俗地說，就是用最少的數(shù)碼來表示信號。5.9數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)壓縮 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p67數(shù)據(jù)為何能被壓縮？數(shù)據(jù)為何能被壓縮？q數(shù)據(jù)中間常存在一些多余成分，即冗余度。冗余度壓縮是一個可逆過程，因此叫做無失真壓縮，或稱保持型編碼。q數(shù)據(jù)中間尤其是相鄰的數(shù)據(jù)之間，常存在著相關(guān)性，可以利用某些變換來盡可能地去掉這些相關(guān)性。但這種變換有時會帶來不可恢復的損失和誤差，因此叫做不可逆壓縮，或稱有失真編碼、熵壓縮等。q人們在欣賞音像節(jié)目時，由于耳、目對信號的時間變化和幅度變化的感受能力都有一定的極限，故可將信號中這部分感覺不出的分量壓縮掉或“掩蔽掉”。這種壓縮方法同樣是一種不可逆壓縮。5.9數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)壓縮 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p68數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的要求數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的要求q盡量降低數(shù)據(jù)量q保持一定的信號質(zhì)量數(shù)據(jù)壓縮方法數(shù)據(jù)壓縮方法q完全可逆的冗余度壓縮（無損壓縮）q不可逆的熵壓縮（有損壓縮）特征提?。ㄖ讣y的模式識別）量化5.9數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)壓縮 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p69舉例：半字節(jié)法（舉例：半字節(jié)法（GPS數(shù)字文本壓縮）數(shù)字文本壓縮）半字節(jié)法完成壓縮及解壓縮，屬于無損壓縮技術(shù)。去除字節(jié)中的冗余位，只適用于純數(shù)字文本文件的壓縮。5.9數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)壓縮 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p705.10DSP應用系統(tǒng)設計應用系統(tǒng)設計采用FPGA芯片、DSP芯片或通用CPU等硬件，并將算法編成軟件程序，以實現(xiàn)信號處理、自動控制等目的。DSP芯片以TI公司的TMS320CXXXX系列最為有名，其芯片占全球市場的50%以上。5.10DSP應用系統(tǒng)設計應用系統(tǒng)設計 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p71DSP優(yōu)點優(yōu)點接口方便編程方便 穩(wěn)定性好精度高 可重復性好 集成方便 DSP缺點缺點對于簡單信號處理任務，若采用DSP 則使成本增加。DSP 系統(tǒng)中的高速時鐘可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等問題，而且DSP 系統(tǒng)消耗的功率也較大DSP 技術(shù)更新速度快，對于數(shù)學知識要求高，開發(fā)和測試工具還有待進一步完善5.10DSP應用系統(tǒng)設計應用系統(tǒng)設計 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p72DSP應用系統(tǒng)設計過程應用系統(tǒng)設計過程5.10DSP應用系統(tǒng)設計應用系統(tǒng)設計 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p73DSP應用系統(tǒng)開發(fā)工具應用系統(tǒng)開發(fā)工具5.10DSP應用系統(tǒng)設計應用系統(tǒng)設計 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p74DSP典型應用典型應用1.信號處理2.通信3.語音4.圖形/圖像5.軍事6.儀器儀表7.自動控制8.醫(yī)療9.家用電器5.10DSP應用系統(tǒng)設計應用系統(tǒng)設計 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p75工程測試技術(shù)工程測試技術(shù)動手做：動手做：用所學的數(shù)字信號分析算用所學的數(shù)字信號分析算法設計一個簡單的聲音信法設計一個簡單的聲音信號分析程序。號分析程序。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p76思考題：思考題：1.A/D1.A/D，D/AD/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有哪些？轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有哪些？2.2.信號量化誤差與信號量化誤差與A/DA/D，D/AD/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)的關(guān)系？轉(zhuǎn)換器位數(shù)的關(guān)系？3.3.采樣定理的含義，當不滿足采樣定理時如何計采樣定理的含義，當不滿足采樣定理時如何計算混迭頻率？算混迭頻率？4.A/D4.A/D采樣前為何要加抗混濾波器，作用是什么？采樣前為何要加抗混濾波器，作用是什么？5.5.數(shù)字信號處理中采樣信號的頻譜為何一定會數(shù)字信號處理中采樣信號的頻譜為何一定會 產(chǎn)生能量泄漏？產(chǎn)生能量泄漏？6.6.用用FFTFFT計算的頻譜為何一定存在柵欄效應誤差？計算的頻譜為何一定存在柵欄效應誤差？7.7.窗函數(shù)的作用是什么？窗函數(shù)的作用是什么？工程測試技術(shù)工程測試技術(shù)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p77工程測試技術(shù)工程測試技術(shù)思考題：思考題：1.1.目前數(shù)字信號處理正在逐步取代用模擬電路實目前數(shù)字信號處理正在逐步取代用模擬電路實 現(xiàn)的模擬信號處理，為什麼現(xiàn)的模擬信號處理，為什麼？2.2.按數(shù)字信號處理公式，用你熟悉的計算機語言，按數(shù)字信號處理公式，用你熟悉的計算機語言，寫出常用數(shù)字信號處理算法的計算程序?qū)懗龀Ｓ脭?shù)字信號處理算法的計算程序？3.3.按采樣數(shù)據(jù)按采樣數(shù)據(jù)x(1),x(2),x(1),x(2),，x(n)x(n)，計算信號的計算信號的 時域波形參數(shù)時域波形參數(shù)？Fs=10Hz,Xi0,2,3,0,-1,-2,0,2,3,0,-1,-2,0Fs=10Hz,Xi0,2,3,0,-1,-2,0,2,3,0,-1,-2,00At