上海大学《信号分析与处理》实验指导书

《信号分析与处理》实验指导书(修订版)上海大学精密机械工程系2009年4月上海大学SHANGHAIUNIVERSITY信号分析与处理—1—目录DRVI可重构虚拟仪器实验平台简介…………………………………….2实验一常用数字信号生成实验……………………………………..8实验二典型信号波形的合成与分解实验………………………..11实验三滤波器原理与应用实验…………………………………..13附录一15上海大学SHANGHAIUNIVERSITY信号分析与处理—2—1DRVI可重构虚拟仪器实验平台简介1、概述DRVI的主体为一个带软件控制线和数据线的软主板，其上可插接软仪表盘、软信号发生器、软信号处理电路、软波形显示芯片等软件芯片组，并能与A/D卡、I/O卡等信号采集硬件进行组合与连接。直接在以软件总线为基础的面板上通过简单的可视化插/拔软件芯片和连线，就可以完成对仪器功能的裁减、重组和定制，快速搭建一个按应用需求定制的虚拟仪器测量系统。图2、虚拟仪器软件总线结构图2、软件运行双击WINDOWS桌面上的图标，或在程序组中的DRVI，就可以启动DRVI软件。DRVI启动后点击红色箭头所示按钮从DRVI采集卡、运动控制卡，或网络在线进行注册登记，获取软件使用权限，然后就可以使用了。上海大学SHANGHAIUNIVERSITY信号分析与处理—3—图3、DRVI软件运行界面3、插接软件芯片DRVI通过在前面板上可视化插接虚拟仪器软件芯片来搭构虚拟仪器或测量实验。插接软件芯片的过程很简单，从软件芯片表中点击需要的软件芯片，将其添加到DRVI前面板上，然后在新插入的软件芯片上压下鼠标不放，将其拖动到合适位置。重复上述步骤，插入其它软件芯片。插接在DRVI前面板上的虚拟仪器软件芯片的屏幕位置是可以移动和调整的，点击快捷工具条中的“移动软件芯片位置”图标，然后在待移动的软件芯片上压下鼠标不放，就可以将其拖动到新位置，从而实现屏幕布局的调整。4、DRVI软件总线的概念和软件芯片的连线图4用DRVI设计虚拟仪器上海大学SHANGHAIUNIVERSITY信号分析与处理—4—为实现虚拟仪器软件芯片间的数据交换，DRVI中设置了一组软件总线，包括256条Double型单变量数据线和32条Double型数组型数据线，可传输有效值等单变量数据，也可传输波形、频谱等数组数据。虚拟仪器软件芯片可以通过这组透明的数据总线进行数据传输和命令数据交换。任何两个虚拟仪器软件芯片只要连接在一条数据线上就可以在彼此间交换数据,就象在物理上用通讯线路连接在一起的节点间可以彼此交换数据一样。连线的方法是在软件芯片上点击右鼠标键，弹出该芯片的属性表，修改其中的连接数据线号就可以实现软件芯片间的连线。图5虚拟仪器软件芯片的连线5、虚拟仪器设计样例：李沙育图形若将两路不同相位的同频正弦波信号分别作为X轴和Y轴信号输入X-Y信号示波器，其信号波形是一个椭圆，称为李沙育图形。在DRVI中设计李沙育图形很简单，用两片数字信号发生器芯片产生同频的正弦波信号，然后用一片旋钮芯片控制其图6李沙育图形实验演示系统上海大学SHANGHAIUNIVERSITY信号分析与处理—5—中一个数字信号发生器芯片的相位，最后用一片X-Y曲线显示芯片显示李沙育图形就可以了。转动旋钮就可以产生出不同相位差的正弦波信号合成的李沙育图形。6、DRVI常用软件芯片表名称功能图标标签芯片标签芯片的作用是插入一条文字信息显示标签，以显示一些说明性文字。另外它也可以与软件总线上的一条数据线相连，动态显示数据线上的数据值。箭头芯片箭头线的作用是在屏幕上绘制一条箭头线，用来指示芯片的工作顺序，或信号的流向。开/关类芯片开/关类芯片的作用是提供类似物理设备中开关的功能。它与一条数据线相连，可控制连接在该数据线上其他软件芯片启/停运行的目的。按钮芯片按钮芯片的作用是：通过鼠标对此芯片图标的点击来向其他芯片发出一个单次运行的直接控制命令。数字输入类芯片数字输入类的作用是为用户提供物理旋钮、推杆功能类似的芯片。它与一条数据线相连，用户可以通过鼠标拖动来改变芯片上指针位置，调整数据线上的值，从而达到改变连接在该数据线上其他软件芯片工作参数的目的。单变量显示类芯片单变量显示类芯片的作用是提供类似温度计、表头的功能。它与一条数据线相连，数据线上数据的变化会使其示值同步变化。波形/频谱显示芯片波形/频谱显示芯片的作用是在屏幕上用二维曲线方式显示所连接的数组型数据线上的波形或频谱数据，可通过调节控件大小来对显示曲线进行展缩。曲线组显示芯片曲线组显示芯片的作用是在屏幕上用二维曲线方式显示所连接的多条数组型数据线上的波形或频谱数据，在屏幕显示一组曲线。伪彩色图显示芯片伪彩色图显示芯片的作用是在屏幕上用伪彩色方式显示一组曲线，主要用于小波分析结果的显示。X-Y曲线显示芯片X-Y曲线显示芯片的作用是显示以X、Y方式同步输入的两条数组型数据线上的两通道信号所组成的信号波形，如轴心轨迹、李沙育图形等。数据采集类芯片数据采集芯片的作用是控制A/D卡或声卡进行信号采集。将挂接的传感器信号转化为数字量，并存放在连接的数组型数据线上。上海大学SHANGHAIUNIVERSITY信号分析与处理—6—数据输出类芯片数据输出类芯片的作用是控制D/A卡或声卡进行信号输出。将连接的数组型数据线上的数据转化为模拟信号输出。信号发生器芯片信号发生器芯片用于产生软件模拟的标准信号波形数据，包括白噪声、正弦波、方波、三角波、拍波、线性扫频波、对数扫频波。脚本类芯片脚本类芯片的作用是SignalVBScript写一段用户自定义功能的小程序，如生成特殊信号，某种特殊的信号分析方法等。波形参数计算芯片波形参数计算芯片作用是对连接的数组型数据线上的波形数据进行分析，计算信号的有效值、均值、方差等参数，计算结果输出到另一条数据线上。相关系数计算芯片相关系数芯片作用是对所连接的两条数组型数据线上的波形数据进行相关分析，计算信号的自相关系数或互相关系数，结果输出到另一条数组型数据线上。频谱运算芯片频谱运算芯片作用是对所连接的数组型输入数据线上的波形数据进行FFT变换，计算信号的实频/虚频、功率谱、幅频/相频，并将计算结果输出到两条数组型数据线上。FFT频谱校正芯片FFT谱校正芯片作用是对所连接的数组型输入数据线上的波形数据进行FFT变换和频谱校正，计算信号的实频/虚频、功率谱、幅频/相频，并将计算结果输出到两条数组型数据线(软件芯片)上。概率密度/分布函数芯片概率密度/分布函数芯片的作用是：对所连接的数组型输入数据线上的波形数据进行概率密度或概率分布计算，并将计算结果输出到一条数组型数据线上。谱窗函数芯片谱窗函数芯片的作用是在时域用窗函数(矩形、Hanning、Hamming、BlackMan、平顶窗)对信号进行截断和加窗，减小后续FFT频谱计算中的能量泄漏。频谱细化分析芯片频谱细化分析芯片的作用是对选定的频率段进行局部放大，以更高的频率分辨率显示频谱的细节。倍频程分析芯片倍频程分析芯片的作用是采用FFT算法计算声音输入的声音信号/噪声信号的倍频程谱，显示倍频程谱。谱阵芯片谱阵芯片的作用是对一个长时间段的信号进行连续观测，分段计算信号的频谱，并以三维谱阵的方式显示，从而在一个长的观测时间段内以时-频联合分析的方法了解信号频率成分随时间的变化情况。传递函数芯片传递函数芯片的作用是对所接收的系统激励信号和系统响应信号进行传递函数分析，计算信号的传递函数和相干函数。数字滤波类芯片信号数字滤波芯片的作用是提供一个和物理低通/高通/带通滤波器功能相似的芯片。对输入信号进行滤波，去除频率通带外的干扰频率成份。包络检波芯片包络检波芯片的作用是用垂直滤波器对信号进行带通滤波和Hilbert变换方法，提取信号中的包络成分。上海大学SHANGHAIUNIVERSITY信号分析与处理—7—功率倒频谱芯片功率倒频谱运算芯片的作用是对所连接的数组型输入数据线上的波形数据进行FFT变换，计算信号的对数功率谱，然后再对其进行FFT变换，计算信号频谱的功率谱，分析信号频谱中的周期成分。离散小波变换芯片离散小波变换芯片的作用是按照设定的小波滤波器系数对信号进行二进小波变换/正交小波变换/小波包变换，对信号进行小波分解。AR模型分析芯片AR模型分析芯片的作用是对所连接的数组型输入数据线上的波形数据进行AR模型分析，计算AR模型系数和AR功率谱。多自由度振动模型芯片多自由度振动模型芯片采用单输入、多输出N自由度振动模型对振动系统进行仿真。用户可以改变模型自由度数、激振力作用点位置、各节点质量、阻尼、刚度参数。用户可以通过外加的激振力对其激振，并测取系统的响应信号。网络数据采集芯片网络数据采集芯片的作用是通过网络获取网络上其他主机上运行的DRVI中数组型数据线上的数据，从而达到数据采集卡、传感器等硬件资源共享的目的。网络命令发送芯片网络命令发送芯片的作用是通过网络向网上其它运行DRVI的主机发送直接软件芯片工作命令，驱动远端主机DRVI软件上插接的软件芯片工作，从而达到远程控制的作用。采样数据广播芯片采样数据广播芯片的作用是通过IP广播方式将数组型数据线上的测量数据发送到网络上，从而达到数据采集卡、传感器等硬件资源多人同时共享的目的。广播数据接收芯片广播数据接收芯片的作用是接收网络上其它DRVI主机广播的测量数据，进行远程分析。定时器芯片定时器芯片的作用是产生一个指定时间间隔的周期性事件，并在事件中发出直接软件芯片驱动命令，从而达到定期控制DRVI中软件芯片工作的目的。上海大学SHANGHAIUNIVERSITY信号分析与处理—8—实验一常用数字信号生成实验一、实验目的1、掌握用数学公式编程生成数字信号的基本方法；2、掌握用DRVI虚拟仪器中的芯片组生成常用数字信号；3、掌握用D/A器件输出数字信号，自制简易信号发生器的方法。二、实验内容利用DRVI虚拟可重构虚拟实验平台实现常用数字信号的生成实验。三、实验原理1.利用DRVI虚拟仪器中的波形发生器芯片生成数字信号DRVI中提供了一个数字信号发生器芯片，通过它可以直接生成多种数字信号：白噪声、正弦波、方波、三角波等。并可以用一片多联开关芯片来选择信号发生器芯片的输出信号类型；信号的发生与否使用一片按钮芯片来进行控制。另外，选择一片波形/频谱显示芯片，用于显示信号的波形与频谱。2.利用数学公式编程生成数字信号1）正弦波数字信号发生器对正弦波信号，其数学表达式为：)2(.)(ftSinAtx(1)式中A为正弦波信号幅值，f为正弦波信号频率，φ为正弦波信号的初始相位。按采样定理要求确定一个合适的采样频率，设为Fs，则信号采样间隔dt为：sFdt1(2)用Fs对式(1)进行采样，有离散化采样公式：)2(.][dtfkSinAkx(3)按式(3)编程就可以实现一个正弦波数字信号发生器。下面是SignalVBScript程序代码。Dimdata(2048)A=800.0Pi=3.14F=100上海大学SHANGHAIUNIVERSITY信号分析与处理—9—Q=0Fs=5000.0dt=1.0/FsForK=0To2047data(k)=A*Sin(2*Pi*F*dt*K+Q*3.14/180.0)Next2）、噪声信号发生器在许多计算机语言中都有随机数产生函数，一组由随机数构成的采样信号的集合就构成了噪声信号。在VBScript语言中提供了数字范围在(0到1)之间的随机数产生函数Rnd()，因此有噪声信号采样公式：]5.0().[2][RndAkx(3)式中A为噪声信号幅值。按式4)编程就可以实现一个噪声信号发生器。下面是SignalVBScript程序代码。Dimdata(2048)A=800.0ForK=0To2047data(k)=2.0*A*(Rnd()-0.5)Next四、实验仪器和设备1.计算机1台2.DRVI快速可重组虚拟仪器平台1套五、实验方法和步骤1.启动服务器，运行DRVI主程序，开启DRVI数据采集仪电源，然后点击DRVI快捷工具条上的联机注