虚拟仪器技术应用基础
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➢ 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
虚拟仪器技术应用基础
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
Demo
虚拟仪器技术应用基础
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
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
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
域变换
预处理
➢ 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
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
虚拟仪器技术应用基础
降噪的挑战 – 宽频、时变、多尺 度
虚拟仪器技术应用基础
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
1个周期
不连续
虚拟仪器技术应用基础
频谱泄漏
整数周期 —
无泄漏
➢ LabVIEW交互式的环境便于完成需要反复试 验✓(T图r形ia化l a编n程d error)的预✓处调理试任探务针 (Probe)
✓ VI前面板
✓ Express VI
虚拟仪器技术应用基础
参数测量
预处理
➢ 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
➢ 降噪、去直流、去漂移等 ➢ 量纲、物理量转换
预处理
参数测量 域变换 建模
➢ 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
➢…
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
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
信号 处理 函数
输入信号
信号
处理
函数
虚拟仪器技术应用基础
Vrms2 500 Hz 完美的正弦曲线
信号处理的系统流程
数据采集
参数测量 预处理 信号分析域变换
建模
交互显示
选择合适的信号处理算法
虚拟仪器技术应用基础
信号预处理
➢ 信号预处理的目的
LabVIEW中的数字滤波器函数
数字滤波器设计工具包*
最简单的: 滤波器Express VI
滤波器函数
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
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
第五讲 基于LabVIEW的信号处理
虚拟仪器技术应用基础
信号处理在各个行业的应用
汽车：噪声定位
生物：医电分析
信号处理 Signal Processing
通讯：信道消噪
机电：机器监测
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
➢ 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
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
虚拟仪器技术应用基础
非整数周期 —
泄漏
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
wenku.baidu.com
虚拟仪器技术应用基础
参数测量例2——FRF
简单易用
高频
有选择地去除高频
低通滤波
可控 (与滤波器设计有关)
可控 (与滤波器设计有关)
低通并保留高频幅度较 大部分
（非线性）
与小波类型有关
与小波类型有关
性能可控
非平稳信号效果好
虚拟仪器技术应用基础
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
参数测量 域变换 建模
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
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）
➢ 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
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
降噪方法比较
移动平均
低通
小波
去除成分
高频
幅频响应 类型
低通滤波
过渡带 低频衰减
较长 (与平均长度有关)
较大 (与平均长度有关)
优势
➢ 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
虚拟仪器技术应用基础
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
Demo
虚拟仪器技术应用基础
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
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
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
域变换
预处理
➢ 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
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
虚拟仪器技术应用基础
降噪的挑战 – 宽频、时变、多尺 度
虚拟仪器技术应用基础
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
1个周期
不连续
虚拟仪器技术应用基础
频谱泄漏
整数周期 —
无泄漏
➢ LabVIEW交互式的环境便于完成需要反复试 验✓(T图r形ia化l a编n程d error)的预✓处调理试任探务针 (Probe)
✓ VI前面板
✓ Express VI
虚拟仪器技术应用基础
参数测量
预处理
➢ 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
➢ 降噪、去直流、去漂移等 ➢ 量纲、物理量转换
预处理
参数测量 域变换 建模
➢ 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
➢…
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
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
信号 处理 函数
输入信号
信号
处理
函数
虚拟仪器技术应用基础
Vrms2 500 Hz 完美的正弦曲线
信号处理的系统流程
数据采集
参数测量 预处理 信号分析域变换
建模
交互显示
选择合适的信号处理算法
虚拟仪器技术应用基础
信号预处理
➢ 信号预处理的目的
LabVIEW中的数字滤波器函数
数字滤波器设计工具包*
最简单的: 滤波器Express VI
滤波器函数
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
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
第五讲 基于LabVIEW的信号处理
虚拟仪器技术应用基础
信号处理在各个行业的应用
汽车：噪声定位
生物：医电分析
信号处理 Signal Processing
通讯：信道消噪
机电：机器监测
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
➢ 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
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
虚拟仪器技术应用基础
非整数周期 —
泄漏
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
wenku.baidu.com
虚拟仪器技术应用基础
参数测量例2——FRF
简单易用
高频
有选择地去除高频
低通滤波
可控 (与滤波器设计有关)
可控 (与滤波器设计有关)
低通并保留高频幅度较 大部分
（非线性）
与小波类型有关
与小波类型有关
性能可控
非平稳信号效果好
虚拟仪器技术应用基础
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
参数测量 域变换 建模
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
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）
➢ 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
虚拟仪器技术应用基础
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
虚拟仪器技术应用基础
降噪方法比较
移动平均
低通
小波
去除成分
高频
幅频响应 类型
低通滤波
过渡带 低频衰减
较长 (与平均长度有关)
较大 (与平均长度有关)
优势