工程测试技术 第五章数字信号处理 第一讲
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工程测试技术
华中科技大学机械学院 p1
第5章 数字信号处理
本章学习要求：
1.掌握信号模数转换和数模转换原理 2.掌握信号采样定理，能正确选择采样频率 3.了解数字信号处理中信号截断、能量泄漏、 栅栏效应等现象 4.了解常用数字信号处理方法
工程测试技术 本讲内容
华中科技大学机械学院 p2
5.1 数字信号处理概述 p128-129
编码――将经过量化的值变为二进制数字的过程。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p12
1. 采样：对坐标轴离散化
2. 量化：对采样值数字化
3. 编码：对采样值二进制化 4位A/D: 为XXXX
x(1) 0101 x(2) 0011 x(3) 0000 x(3) 0001
5.2 A/D转换与D/A转换 p129-136
5.3 采样定理
p40-41,p136-137
5.4 信号截断与能量泄漏 p138-139
5.5 DFT与FFT
p42-44
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p3
5.1 数字信号处理概述
5.1.1 数字信号处理的主要研究内容
研究用数字序列表示测试信号，并用数学公 式和运算来对数字序列进行处理。内容包括数字 波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波等。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p20
声卡的信号输入接口(A/D)
声卡输入口包括MIC和Line in。MIC输入阻抗 1500Ω ~ 20kΩ，输入电压10mV，单通道。Line In 输入阻抗为10 kΩ ~ 47 kΩ, 输入电平范围500 mV ~ 2 V，双通道。声卡是用来采集声音信号，其频率 特性线性段在20Hz~20kHz之间。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p13
离散采样误差
模拟信号经过采样后变为有限个数据点的离 散信号，数据点间用直线进行插值逼近，所造成 的误差称为离散采样误差，采样频率越高，误差 越小。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p14
量化误差
把采样信号x(nTs) 经过量化变为只有有限个有效数 字的数，这一过程所产生的误差称为量化误差。
绝对量化误差
e
Vmax Vmin 2 2N 1
相对量化误差
2
1 2N 1
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
实验：
华中科技大学机械学院 p15
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
A/D转换器的技术指标
华中科技大学机械学院 p16
• (1) 分辨率：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8 位、10位、12位、16位等。
华中科技大学机械学院 p5
5.1.3 数字信号处理的优势
1)用数学计算代替复杂的测量电路
E[x2 (t)] 1 N x2 (n)
N n0
E
1 N
X (i)
5.1 数字信号处理概述
2) 用 计 算 机 显 示 代 替 复 杂的机械结构
华中科技大学机械学院 p6
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p7
通常可以直接将插头连接在Line out或Speaker， 为防止短路对声卡造成的损坏，可在连接电路中 串联电阻。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p22
5.3 采样定理
华中科技大学机械学院 p23
5.3 采样定理
采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘， 取离散点x(nTs)的值的过程。
3)计算机软硬件技术发展的有力推动
a)多种多样的工业用计算机
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p8
b)灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p9
案例：铁路机车FSK信号检测与分析
京广线计划提速到200公里/小时
FSK=Frequency Shift Keying= 频移键控
D/A转换器的技术指标
• 分辨率; • 转换速度; • 模拟信号的输出范围;
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p18
A/D、D/A转换过程中的量化误差实验：
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p19
声卡简介（双通道A/D、D/A卡）
声卡是电脑主要部件之一，声卡上有D/A芯片， 用来把数字化声音信号转换成模拟信号，同时还有 A/D芯片，用来把模拟声音信号转换成数字信号， 实验学习时可以将声卡作为双通道A/D卡和D/A卡。
• (2) 转换速度：指完成一次转换所用的时间， 如:1ms(1kHz)； 10us(100kHz)
• (3) 模拟信号的输入范围：如，5V， +/-5V， 10V，+/-10V等。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p17
5.2.2 D/A转换过程和原理
D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号 的装置。
x(t)
A
X(0)
X(1)
0
t
X(2) E 1 X (i) N
X(3)
X(4)
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p4
5.1.2 测试信号数字化处理的基本步骤
对象
物理信号
传 感 器
电信号
放 大 调 制
电信号
A/D 转换
数字信号
物理信号
执行器
显
示
电信号 D/A
计 算
转换
机
5.1 数字信号处理概述
为防止测量信号超量程造成损坏，可以采用下 面电路对声卡输入端进行保护。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
声卡的输出接口(D/A)
华中科技大学机械学院 p21
Fra Baidu bibliotek
声卡输出口包括Speaker和Line out。Speaker输出 阻抗为8Ω，输出功率2W。Line out输出阻抗为 20Ω~500Ω，最大输出电平2V。
合作任务：机车状态信号识别(频率解调)
虚拟仪器设计方案
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p10
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
5.2.1 A/D转换
华中科技大学机械学院 p11
采样――利用采样脉冲序列，从信号x(t)中抽取一 系列离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程． 量化――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．
华中科技大学机械学院 p1
第5章 数字信号处理
本章学习要求：
1.掌握信号模数转换和数模转换原理 2.掌握信号采样定理，能正确选择采样频率 3.了解数字信号处理中信号截断、能量泄漏、 栅栏效应等现象 4.了解常用数字信号处理方法
工程测试技术 本讲内容
华中科技大学机械学院 p2
5.1 数字信号处理概述 p128-129
编码――将经过量化的值变为二进制数字的过程。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p12
1. 采样：对坐标轴离散化
2. 量化：对采样值数字化
3. 编码：对采样值二进制化 4位A/D: 为XXXX
x(1) 0101 x(2) 0011 x(3) 0000 x(3) 0001
5.2 A/D转换与D/A转换 p129-136
5.3 采样定理
p40-41,p136-137
5.4 信号截断与能量泄漏 p138-139
5.5 DFT与FFT
p42-44
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p3
5.1 数字信号处理概述
5.1.1 数字信号处理的主要研究内容
研究用数字序列表示测试信号，并用数学公 式和运算来对数字序列进行处理。内容包括数字 波形分析、幅值分析、频谱分析和数字滤波等。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p20
声卡的信号输入接口(A/D)
声卡输入口包括MIC和Line in。MIC输入阻抗 1500Ω ~ 20kΩ，输入电压10mV，单通道。Line In 输入阻抗为10 kΩ ~ 47 kΩ, 输入电平范围500 mV ~ 2 V，双通道。声卡是用来采集声音信号，其频率 特性线性段在20Hz~20kHz之间。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p13
离散采样误差
模拟信号经过采样后变为有限个数据点的离 散信号，数据点间用直线进行插值逼近，所造成 的误差称为离散采样误差，采样频率越高，误差 越小。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p14
量化误差
把采样信号x(nTs) 经过量化变为只有有限个有效数 字的数，这一过程所产生的误差称为量化误差。
绝对量化误差
e
Vmax Vmin 2 2N 1
相对量化误差
2
1 2N 1
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
实验：
华中科技大学机械学院 p15
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
A/D转换器的技术指标
华中科技大学机械学院 p16
• (1) 分辨率：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8 位、10位、12位、16位等。
华中科技大学机械学院 p5
5.1.3 数字信号处理的优势
1)用数学计算代替复杂的测量电路
E[x2 (t)] 1 N x2 (n)
N n0
E
1 N
X (i)
5.1 数字信号处理概述
2) 用 计 算 机 显 示 代 替 复 杂的机械结构
华中科技大学机械学院 p6
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p7
通常可以直接将插头连接在Line out或Speaker， 为防止短路对声卡造成的损坏，可在连接电路中 串联电阻。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p22
5.3 采样定理
华中科技大学机械学院 p23
5.3 采样定理
采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘， 取离散点x(nTs)的值的过程。
3)计算机软硬件技术发展的有力推动
a)多种多样的工业用计算机
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p8
b)灵活、方便的计算机虚拟仪器开发系统
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p9
案例：铁路机车FSK信号检测与分析
京广线计划提速到200公里/小时
FSK=Frequency Shift Keying= 频移键控
D/A转换器的技术指标
• 分辨率; • 转换速度; • 模拟信号的输出范围;
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p18
A/D、D/A转换过程中的量化误差实验：
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p19
声卡简介（双通道A/D、D/A卡）
声卡是电脑主要部件之一，声卡上有D/A芯片， 用来把数字化声音信号转换成模拟信号，同时还有 A/D芯片，用来把模拟声音信号转换成数字信号， 实验学习时可以将声卡作为双通道A/D卡和D/A卡。
• (2) 转换速度：指完成一次转换所用的时间， 如:1ms(1kHz)； 10us(100kHz)
• (3) 模拟信号的输入范围：如，5V， +/-5V， 10V，+/-10V等。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
华中科技大学机械学院 p17
5.2.2 D/A转换过程和原理
D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号 的装置。
x(t)
A
X(0)
X(1)
0
t
X(2) E 1 X (i) N
X(3)
X(4)
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p4
5.1.2 测试信号数字化处理的基本步骤
对象
物理信号
传 感 器
电信号
放 大 调 制
电信号
A/D 转换
数字信号
物理信号
执行器
显
示
电信号 D/A
计 算
转换
机
5.1 数字信号处理概述
为防止测量信号超量程造成损坏，可以采用下 面电路对声卡输入端进行保护。
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
声卡的输出接口(D/A)
华中科技大学机械学院 p21
Fra Baidu bibliotek
声卡输出口包括Speaker和Line out。Speaker输出 阻抗为8Ω，输出功率2W。Line out输出阻抗为 20Ω~500Ω，最大输出电平2V。
合作任务：机车状态信号识别(频率解调)
虚拟仪器设计方案
5.1 数字信号处理概述
华中科技大学机械学院 p10
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
5.2 模数(A/D)和数模(D/A)
5.2.1 A/D转换
华中科技大学机械学院 p11
采样――利用采样脉冲序列，从信号x(t)中抽取一 系列离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程． 量化――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．