信号处理频域分析.ppt





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1、信号的频域分析信号的频域分析 信号处理频域分析傅里叶变换是信号处理和数据处理中的一个重要傅里叶变换是信号处理和数据处理中的一个重要的分析工具,其意义在于将时域与频域信号联系的分析工具,其意义在于将时域与频域信号联系起来。起来。LabVIEWLabVIEW高级分析程序库中的频域分析子模板提供高级分析程序库中的频域分析子模板提供了丰富的时域和频域转换函数,包括傅里叶变换、了丰富的时域和频域转换函数,包括傅里叶变换、HilbertHilbert变换、变换、HartleyHartley变换、功率谱分析、谐波变换、功率谱分析、谐波分析等。频域分析子模板位于分析等。频域分析子模板位于All Functio
2、nsAll Functions模板模板下下AnalyzeSignal ProcessingFrequency AnalyzeSignal ProcessingFrequency DomainDomain子模板。子模板。信号处理频域分析 频域分析子模板 信号处理频域分析一、一、FFT FFT变换变换FFT的输出都是双边的,它同时显示了正负的输出都是双边的,它同时显示了正负频率的信息。通过只使用一半频率的信息。通过只使用一半FFT输出采样点输出采样点可转换成单边可转换成单边FFT。FFT的采样点之间的频率的采样点之间的频率间隔是间隔是fs/N,这里,这里fs是采样频率。是采样频率。Analyze库
3、中有两个可以进行库中有两个可以进行FFT的的VI,分别,分别是是Real FFT VI和和Complex FFT VI。信号处理频域分析例例 双边和单边双边和单边FFTFFT变换变换 双边FFT变换的前面板设置和框图程序 信号处理频域分析(1)框图程序中的各函数作用如下:框图程序中的各函数作用如下:Sine Waveform.vi(All FunctionsAnalyzeWaveform Generation):产产生生时时域域正正弦波形。弦波形。Real FFT.vi(实实数数快快速速傅傅里里叶叶变变换换):用用于于计计算算输输入入数数据据的的FFT,将将时时域域信信号号转转换换为为频频域域
4、信信号号。输输入入为为实实数数组,输出为复数数组。数数组,输出为复数数组。Array Size 函函数数(All FunctionsArray模模板板):用用于于根根据据采采样样点点数数N对对FFT输输出出的的结结果果进进行行处处理理。将将FFT输输出出除除以以N,可获得正确的频率幅度信息。可获得正确的频率幅度信息。Complex to Polar.vi(All FunctionsNumericComplex子子模模板板):将将输输入入数数据据从从复复数数坐坐标标系系转转换换到到极极坐坐标标系系。此此例例将将FFT输输出出分分解解为为实实部部和和虚虚部部(幅幅值值和和相相位位),相相位位的的单
5、单位位是是弧弧度度,这这里里只只需需显显示示FFT的幅值的幅值信号处理频域分析(2)(2)把该把该VIVI保存为保存为LabVIEWlianxiLabVIEWlianxi中的中的FFT_2sided.viFFT_2sided.vi。(3)(3)选选择择频频率率(HzHz)=5=5,采采样样率率=100=100,样样本本数数=100=100。执执行行该该VIVI,注注意意这这时时的的时时域域图图和和频频谱谱图图。因因为为采采样样率率=样样本本数数=100=100,所所以以时时域域图图中中的的正正弦弦波波的的周周期期数数与与选选择择的的频频率率相相等等,即即可可以以显显示示5 5个个周周期期。(如
6、果把频率改成(如果把频率改成1010,那么就会显示,那么就会显示1010个周期)。个周期)。频率间隔与采样频率和采样点数有关,它们之间的关系可表示为:信号处理频域分析双边双边 FFTFFT(4)检检查查频频谱谱图图可可以以看看到到有有两两个个波波峰峰,一一个个位位于于10Hz,另另一一个个位位于于90Hz,90Hz处处的的波波峰峰实实际际上上是是10Hz处处的的波波峰峰的的负负值值。因因为为图形同时显示了正负频率,所以被称为双边图形同时显示了正负频率,所以被称为双边FFT。(5)先先后后令令频频率率=10、20(Hz),执执行行该该VI。注注意意每每种种情情况况下下频频谱谱图图中中波波峰峰位位
7、置置的的移移动动。观观察察频频率率等等于于10和和20时时的的时时域域波波形形。注意哪种情况下的波形显示更好,并解释原因。注意哪种情况下的波形显示更好,并解释原因。(6)因为因为fs=100Hz,所有只能采样频率低于,所有只能采样频率低于50Hz的信号(奈奎的信号(奈奎斯特频率斯特频率fs/2)。把频率修改为)。把频率修改为48Hz,可以看到频谱图的波,可以看到频谱图的波峰位于峰位于48Hz。(7)把把频频率率改改为为52HZ,观观察察这这时时产产生生的的图图形形与与第第5步步产产生生的的图图形形的的区区别别。因因为为52大大于于奈奈奎奎斯斯特特频频率率,所所以以混混频频偏偏差差等等于于|10
8、052|=48Hz。(8)把频率改成把频率改成30和和70Hz,执行该,执行该VI。观察这两种情况下图形。观察这两种情况下图形是否相同,并解释原因。是否相同,并解释原因。信号处理频域分析单边单边FFTFFT(9)由由上上面面已已经经知知道道因因为为FFT含含有有正正负负频频率率的的信信息息,所所以以FFT具具有有重重复复信信息息。现现在在按按图图8-11修修改改程程序序,把把正正频频分分量量的的幅幅值值乘乘以以2,这这样样修修改改之之后后只只显显示示一一半半的的FFT采采样样点点(正正频频率率部部分分),这这样样的的方方法法叫叫做做单单边边FFT。单单边边FFT只只显显示示正正频频部部分分,虽
9、虽然然正正频频分分量量的的幅幅值值乘乘以以2,但但直直流流分分量量不不变变。(若若程程序序中中考考虑虑含含直直流流分量的情况,应当增加一个分支或分量的情况,应当增加一个分支或case结构)。结构)。(10)设置频率(设置频率(Hz)=30,采样率,采样率=100,样本数,样本数=100,运行该,运行该VI。信号处理频域分析(12)保存该保存该VI为为LabVIEWlianxi目录下的目录下的FFT_1sided.vi。(13)把频率改为把频率改为70Hz,执行该,执行该VI,观察这时产生的图,观察这时产生的图形与第形与第9步产生的图形的区别步产生的图形的区别 单边FFT的框图程序 信号处理频域
10、分析二、窗函数二、窗函数 为了减小或抑制泄漏,测试工程人员常用多种不同形式的窗函为了减小或抑制泄漏,测试工程人员常用多种不同形式的窗函数对时域信号进行加权处理。从卷积过程可知,窗函数应力求数对时域信号进行加权处理。从卷积过程可知,窗函数应力求其频谱的主瓣宽度窄、旁瓣幅度小。窄的主瓣可以抑制原谱峰其频谱的主瓣宽度窄、旁瓣幅度小。窄的主瓣可以抑制原谱峰值的降低,提高频率分辨能力;小的旁瓣可以使原零幅值频带值的降低,提高频率分辨能力;小的旁瓣可以使原零幅值频带出现尽量小的非零幅值,减小泄漏。出现尽量小的非零幅值,减小泄漏。在在LabVIEW中,频谱分析、功率谱分析、频率响应函数分析和中,频谱分析、功
11、率谱分析、频率响应函数分析和相关函数分析的参数设置中都需要选择窗函数,而且这些相关函数分析的参数设置中都需要选择窗函数,而且这些VI中中提供了丰富的窗函数类型以供选择。在选用和测试提供了丰富的窗函数类型以供选择。在选用和测试VI时,其参时,其参数设置非常简单。数设置非常简单。信号处理频域分析LabVIEWLabVIEW中的窗函数原型中的窗函数原型VIVIWindows子模板信号处理频域分析例例 从频率接近的信号中分离出幅值不同的信号。从频率接近的信号中分离出幅值不同的信号。本例取自本例取自LabVIEW自带程序,路径为:自带程序,路径为:ExamplesAnalysisWindxmpl.lib
12、Window Comparison.vi。该程序的目的是从频率相近的信号中分离出幅值不同的信号。该程序的目的是从频率相近的信号中分离出幅值不同的信号。从频率相近的信号中分离出幅值不同的信号 信号处理频域分析三、三、频谱分析频谱分析 在许多应用场合,需要计算信号的频谱,在许多应用场合,需要计算信号的频谱,Advanced Analysis程序库有许多这方面的功能模块程序。下面的例子讲程序库有许多这方面的功能模块程序。下面的例子讲述使用述使用Amplitude and Phase Spectrum VI子程序来测量两个频子程序来测量两个频率分量。率分量。计算一个信号的频谱分量。计算一个信号的频谱分
13、量。信号处理频域分析 计算信号频谱分量的前面板设置和框图程序 信号处理频域分析参参数数设设置置见见前前面面板板,输输入入信信号号混混合合了了两两个个正正弦弦波波,一一个个信信号号为为2Hz,幅幅值值为为1,初初始始相相位位为为0;另另一一个个信信号号为为10Hz,幅幅值值为为2,初初始始相相位位为为90。两两个个信信号号的的采采样样频频率率都都为为100Hz,采样点为,采样点为200个。个。在在框框图图程程序序中中使使用用了了下下面面的的子子程程序序,Amplitude and Phase Spectrum VI子子 程程 序序(在在 AnalysisSignal ProcessingFreq
14、uency Domain子子模模板板)。在在本本例例中中,它它计算信号的幅度有效值(计算信号的幅度有效值(RMS)。)。运运行行程程序序。频频谱谱图图显显示示两两个个峰峰值值,一一个个在在2Hz,另另一一个个在在10Hz。2Hz波波形形电电压压有有效效值值为为0.717伏伏,10Hz波波形形电电压压有有效效值为值为1.414伏,分别对应其峰值伏,分别对应其峰值1伏和伏和2伏。伏。信号处理频域分析四、谐波分析四、谐波分析 当一个单一频率当一个单一频率(比如比如f1)的信号的信号x(t)通过一个非线性系统时,系统的通过一个非线性系统时,系统的输出不仅包含输入信号的频率(输出不仅包含输入信号的频率(
15、f1),而且包含谐波分量),而且包含谐波分量(f2=2f1,f3=3f1,f4=4f1等等),谐波的数量以及它们对应的幅值大小取决于等等),谐波的数量以及它们对应的幅值大小取决于系统的非线性程度。系统的非线性程度。谐波和基波谐波和基波是一个相对的概念,它是一个周期电气量中的正弦波分是一个相对的概念,它是一个周期电气量中的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍,由于谐波的频率是基波频率的整数倍,量,其频率为基波频率的整数倍,由于谐波的频率是基波频率的整数倍,也常称为高次谐波。对电力系统谐波分析的主要目的是测量电力系统中也常称为高次谐波。对电力系统谐波分析的主要目的是测量电力系统中高次谐波的分量:包
16、括各次的谐波频率、幅值和相位,谐波相对基波的高次谐波的分量:包括各次的谐波频率、幅值和相位,谐波相对基波的幅值比例(总谐波畸变率幅值比例(总谐波畸变率THD),基波相对噪声(或谐波信号)的均方),基波相对噪声(或谐波信号)的均方值比例(即值比例(即SINAD),当然基波的频率和幅值也是谐波分析必然要测量的),当然基波的频率和幅值也是谐波分析必然要测量的量。量。信号处理频域分析为为了了确确定定系系统统引引入入非非线线性性失失真真的的大大小小,需需要要得得到到系系统统引引入入的的谐谐波波分分量量幅幅值值和和基基波波幅幅值值的的关关系系。通通常常用用谐谐波波失失真真来来衡衡量量,谐谐波波失失真真是是
17、谐谐波波分分量量的的幅幅值值和和基基波波幅幅值值的的相相对对量量。假假如如基基波波的的幅幅值值是是A1,而而二二次次谐谐波波的的幅幅值值是是A2,三三次次谐谐波波的的幅幅值值是是A3,四四次次谐谐波波的的幅幅值值是是A4,N次次谐谐波波的的幅幅值值是是AN,则则总总的的谐谐波波失失真真THD(Total Harmonic Distortion)为:)为:信号处理频域分析在LabVIEW的Express VI中,Distortion Measurement.vi能够实现对输入信号的谐波分析,输出THD、SINAD。作为Express VI的Distortion Measurement.vi,比较
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