现代信号处理第2章信号的时域分析.ppt

现代信号处理技术及应用 第二章 信号的时域分析 第二章 信号的时域分析 2.1 信号的预处理 2.2 信号的采样 2.3 时域统计分析 2.4 相关分析及应用 引言 以时间为自变量描述物理量的变化是信号最基本、最直观的表达形式。 在时域内对信号进行滤波、放大、统计特征计算、相关性分析等处理，统称为信号的时域分析。 通过时域分析方法，可以有效提高信噪比，求取信号波形在不同时刻的相似性和关联性，获得反映机械设备运行状态的特征参数，为机械系统动态分析和故障诊断提供有效的信息。 第二章 信号的时域分析 2.1 信号的预处理 2.2 信号的采样 2.3 时域统计分析 2.4 相关分析及应用 2.1 信号的预处理 传感器获取的信号往往比较微弱，并伴随着各种噪声。 不同类型的传感器，其输出信号的形式也不尽相同。 为了抑制信号中的噪声，提高检测信号的信噪比，便于信息提取，须对传感器检测到的信号进行预处理。 所谓信号预处理，是指在对信号进行变换、提取、识别或评估之前，对检测信号进行的转换、滤波、放大等处理。 2.1 信号的预处理 常用的信号预处理方法 信号类型转换 应变测力传感器、热电阻传感器输出的信号均为电阻信号，为了便于后续处理常用电桥将电阻信号转变为电压信号 信号放大 常用的信号放大器包括：测量放大器、隔离放大器、可编程增益放大器等 信号滤波（本节重点介绍） 去除均值 在计算信号的标准差等统计量时，需要去除信号均值 去除趋势项 常用的趋势项消除方法有滤波法、多项式拟合法 2.1.1 信号的滤波处理 信号滤波处理是消除或减弱干扰噪声，保留有用信号的过程。 把实现滤波功能的系统称之为滤波器。 滤波器可分为两大类，即经典滤波器和现代滤波器。 1. 经典滤波器 定义：当噪声和有用信号处于不同的频带时，噪声通过滤波器将被衰减或消除，而有用信号得以保留 分类 根据幅频特性的不同，滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等类型。 根据处理信号类型的不同，滤波器可分为模拟滤波器和数字滤波器。 对于数字滤波器来说，根据滤波器的单位脉冲响应序列长度的无限和有限，数字滤波器可进一步分为无限冲击响应滤波器(IIR)和有限冲击响应滤波器(FIR)两类。 1) 经典滤波器原理 经典滤波概念和方法建立在频域分析基础上 2)理想模拟滤波器 理想模拟滤波器是一个理想化的模型，对其讨论有助于进一步了解和改进实际滤波器的性能 理想模拟滤波器的幅频特性曲线 理想模拟滤波器 由于理想低通滤波器具有矩形幅频特性和线性相位特性。同时，理想高通、带通和带阻滤波器均可以由理想低通滤波器串联得到。因此，以后均以理想低通滤波器为例来说明 理想低通滤波器的矩形 幅频、相频特性 理想模拟滤波器 理想低通滤波器的单位脉冲响应函数 3)实际滤波器及其基本参数 实际的滤波器为了物理上可实现，通常在通带和阻带之间设置过渡带 实际滤波器及其基本参数 实际滤波器的幅频特性幅值在通带和阻带内一般不严格为1和0。它们分别允许的波动量分别为 4)数字滤波器的设计 数字滤波器有无限冲击响应IIR型滤波器和有限冲击响应FIR型滤波器之分 IIR型数字滤波器的传递函数是 数字滤波器的设计方法简述 FIR型数字滤波器的设计方法主要是建立在对理想滤波器频率特性作某种近似的基础上的。这些近似方法有窗函数法、频率抽样法等； IIR型数字滤波器的设计属于间接设计法。IIR型数字滤波器目前最通用的设计方法是利用已经很成熟的模拟滤波器的设计方法来进行设计。而模拟滤波器的设计方法又有巴特沃斯(Butterworth)滤波器、切比雪夫(Chebyshev)和椭圆滤波器等不同的设计方法。 数字滤波器的设计方法简述 不论是FIR型数字滤波器还是IIR型数字滤波器的设计都包括三个步骤 2．现代滤波器 当噪声频带和有用信号频带相互重叠时，经典滤波器就无法实现滤波功能 现代滤波器也称统计滤波器，从统计的概念出发对信号在时域进行估计，在统计指标最优的意义下，用估计值去逼近有用信号，相应的噪声也在统计最优的意义下得以减弱或消除 常用的统计滤波器有维纳滤波器和卡尔曼滤波器两类 1）维纳滤波器 20世纪40年代第二次世界大战期间，由于军事上的需要，Wiener提出并解决了平稳过程的最佳线性滤波问题 采用线性最小均方误差估计准则，设计的最佳滤波器称为维纳(Wiener)滤波器 维纳滤波器 维纳滤波器可根据 t 时刻，及 t 以前时刻的观测值x(t)，实现以下三个方面的应用 2）卡尔曼滤波器 维纳滤波器由于计算量大，难以作实时处理，故不能广泛应用，同时它对非平稳信号的滤波也无能为力。 60年代初由于航天事业发展的需要，卡尔曼(Kalman)和布西(Bucy)在解决非平稳、多输入输出随机序列的估计问题中引入了状态变量，在克服维纳滤