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第五讲 基于 LabVIEW 的信号处理

第五讲 基于 LabVIEW 的信号处理. 信号处理在各个行业的应用. 生物：医电分析. 通讯：信道消噪. 汽车：噪声定位. 信号处理 Signal Processing. 机电：机器监测. 能源：管道监测. 回顾 : 一种典型的虚拟仪器系统. 信号. 采集. 分析. 表达. 信号处理. 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. V rms 2. 信号 处理 函数. 500 Hz. 输入信号. 信号 处理 函数. 完美的正弦曲线. 信号处理的系统流程. 参数测量.

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第五讲 基于 LabVIEW 的信号处理

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Presentation Transcript

  1. 第五讲基于LabVIEW的信号处理

  2. 信号处理在各个行业的应用 生物：医电分析 通讯：信道消噪 汽车：噪声定位 信号处理 Signal Processing 机电：机器监测 能源：管道监测

  3. 回顾: 一种典型的虚拟仪器系统 信号 采集 分析 表达 信号处理

  4. 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 Vrms2 信号 处理 函数 500 Hz 输入信号 信号 处理 函数 完美的正弦曲线

  5. 信号处理的系统流程 参数测量 数据采集 预处理 信号分析 域变换 交互显示 建模 选择合适的信号处理算法

  6. 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 • … 参数测量 预处理 域变换 建模

  7. 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

  8. 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

  9. 移动平均对信号幅度的影响 • 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

  10. 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

  11. 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

  12. LabVIEW中的数字滤波器函数 数字滤波器设计工具包* 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 最简单的: 滤波器Express VI 滤波器函数

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. 降噪方法比较

  17. 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 • LabVIEW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

  18. 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 预处理 域变换 建模

  19. 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

  20. 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）

  21. 1个周期 不连续 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

  22. 频谱泄漏 整数周期 — 无泄漏 非整数周期 — 泄漏

  23. 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

  24. 参数测量例2——FRF • 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

  25. Demo 参数测量例3——正弦参数提取 • 传统方法 • 功率峰值法：精度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

  26. 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

  27. 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 参数测量 预处理 域变换 建模

  28. 信号按时频特征分类 短时宽带信号 长时间持续的窄带信号 频率 短时窄带信号 时变信号 时间

  29. 选择合适的变换域 f t

  30. LabVIEW变换函数的特点 • 功能全面 • FFT、Hilbert变换、Hartley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

  31. 演示 LabVIEW中时频分析的应用举例 • 深海中虎鲸的叫声…

  32. 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 参数测量 预处理 域变换 系统辨识工具包 建模

  33. 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)

  34. 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障

  35. 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

  36. LabVIEW中的信号分析与处理常用函数 数字滤波器设计* 频谱测量* 数学选板 高级信号处理 (时频分析、小波分析等)* 信号处理函数选板 声音与振动* 调制解调*

  37. 结合硬件进行信号处理 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 USB PCI Wireless PXI ELVIS CompactDAQ

  38. 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

  39. 举例 • 进一步实现在线音效处理（功率谱分析和滤波均衡）

  40. 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）

  41. 通过MathScript节点调用Matlab代码 • LabVIEW中内置的文本数学语言，提供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

  42. 通过MathScript节点调用Matlab代码

  43. 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

  44. 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 . . . Kinemetrics Seismic Sensors

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