基于Labview的汽车减振器实验台测试系统 - 图文

青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）

图3-2处理后的数据曲线

3．2 离散数字信号的频谱分析方法

3.2.1数字式虚拟频谱分析原理流程图

数字式虚拟频谱分析是通过A/D采样器件，将模拟信号转换为数字信号，传给微处理器系统或计算机来处理.在对交流信号的测量中，根据奈奎斯特采样定理，采样速率必须是信号频率的两倍以上，采样频率越高，时间轴上的信号分辨力就越高，所获得的信号就越接近原始信号，在频谱上展现的频带就越宽。

频谱分析采用快速傅立叶变换的方法，分析信号中所含各个频率份量的幅值。如图3-3所示:

模拟输入 调理电路A/D存储器FFT频谱显示

图3-3频谱分析框图

3.2.2 数字计算机研究傅里叶变换DFT理论

x(t)经采样后变为x(nT)，T为采样周期，采样频率fs=1/T。离散信号x(nT)的傅里

叶变换即DFT。

DFT是针对计算机而提出来的。并非泛指对离散信号取傅里叶积分或傅里叶级数，它是在利用数字计算机研究傅里叶变换时引出的一个特有的专用名词。

（1）应在时域和频域上将连续函数变为离散数据数列：

（2）要在时域和频域上把计算范围从无限宽收缩到一个有限区间内，即将被处理的信

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号截断[8]。

3.2.3虚拟仪器DFT的FFT处理流程 FFT是DFT的快速算法。

对一个连续信号作FFT，一般按以下的步骤选取参数：

（1）估计x?t?的截止频率fmax或按所需的最高频率对x?t?作低通滤波。 （2）估计所需的频率分辨率?f。

（3）确定采样间隔?或采样频率fs?fs?2fmax?

f?（4）确定x?t?的一个采样的最小采样长度Nmin??Nmin?s?f?

??（5）对以2为基的FFT，按2的整数次幂及N?Nmin圆整采样点数N。

（6）选取适当的窗函数减少泄漏误差。

3.2.4 频谱分析中窗函数理论

计算机只能处理有限长度的信号，原信号x(t)要以T(采样时间或采样长度)截断，即有限化。有限化也称为加“矩形窗”或“不加窗”。矩形窗将信号突然截断，这在频域造成很宽的附加频率成分，这些附加频率成分在原信号x(t)中其实是不存在的。一般将这一问题称为有限化带来的泄露问题。泄露使得原来集中在f0上的能量分散到全部频率轴上。泄露带来许多问题：如①使频率曲线产生许多“皱纹”（Ripple），较大的皱纹可能与小的共振峰值混淆；②如信号为两幅值一大一小频率很接近的正弦波合成，幅值较小的一个信号可能被淹没。③f0附近曲线过于平缓，无法准确确定f0的值。

表3-1窗函数应用功能表

窗 矩形窗（无窗） 指数形窗 海宁窗 海明窗 应 用 区分频域和振幅接近的信号瞬时信号宽度小于窗 瞬时信号宽度大于窗 瞬时信号宽度大于窗普通目的的应用 声音处理 在实际应用中如何选择窗函数一般说来是要仔细分析信号的特征以及最终你希望达到的目的，并经反复调试。窗函数有利有弊，使用不当还会带来坏处。使用窗函数的原因

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很多，例如：规定测量的持续时间，减少频谱泄漏，从频率接近的信号中分离出幅值不同的信号[9]

3．3离散数字信号的滤波分析

3.3.1经典数字滤波器原理

数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一，与模拟滤波相比，它具有精度和稳定性高、系统函数容易改变、灵活性强、便于大规模集成和可实现多维滤波等优点。在信号的过滤、检测和参数的估计等方面，经典数字滤波器是使用最广泛的一种线性系统。

数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形(或频谱)进行加工处理，或者说利用数字方法按预定的要求对信号进行变换。 3.3.2 数字滤波器的概念

若滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么该滤波器的单位冲激响应h(n)也必然是离散的，这种滤波器称为数字滤波器。当用硬件实现一个DF时，所需的元件是乘法器、延时器和相加器；而用MATLAB软件实现时，它仅仅需要线性卷积程序就可以实现。众所周知，模拟滤波器(Analog Filter，AF)只能用硬件来实现，其元件有电阻R，电感L，电容C及运算放大器等。因此，DF的实现要比AF容易得多，并且更容易获得较理想的滤波性能。

数字滤波器的作用是对输入信号进行滤波，就如同信号通过系统一样。当输入信号x(n)通过滤波器h(n)后，其输出y(n)中不再含有的频率成分，仅使的信号成分通过，其中 是滤波器的转折频率。

3.3.3 经典数字滤波器的分类

经典数字滤波器按照单位取样响应h(n)的时域特性可分为无限冲激响应(IIR，Infinite Impulse Response)系统和有限冲激响应(FIR，Finite Impulse Response)系统。如果单位取样响应是时宽无限的h(n)， 则称之为IIR系统；而如果单位取样响应是时宽有限的h(n)， ，则称之为FIR系统。

数字滤波器按照实现的方法和结构形式分为递归型或非递归型两类。递归型数字滤波

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器的当前输出y(n)是输入x(n)的当前值和以前各输入值x(n)，x(n–1)，?，及以前各输出值y(n)，y(n–1)，?.的函数。 3.3.4 三种常用的最佳逼近特性滤波器

理想滤波器在通带内幅频特性为常数。在通带外幅频特性值为零。而在实用中的滤波器，通频带内不平坦；过度带部分不陡直；阻带部分不为零。通常模拟滤波器的设计就是利用有理多项式在一定限度内对其频率特性进行逼近。

最佳逼近特性，是根据滤波器的不同需要而定出来的。例如，可以从幅频特性提出要求，而不考滤相频特性；也可以只满足相频特性而不关心幅频特性。按照前一原则，最常用的可实现的滤波器有巴特沃兹，切比雪夫滤波器；按后一原则有贝赛尔滤波器。巴特沃兹滤波器（butterworth filter) 切比雪夫滤波器（chebyshey filter) 贝赛乐滤波器（bessel filter) 是测试工程中应用最广泛的也是最经曲的三种滤波器。 （1）巴特沃兹滤波器

巴特沃兹滤波器具有最大平坦幅度特性，其幅频响应表达式为： H?w??1??1??w??wc?2n?3?1?

巴特沃兹滤波器的幅频特性有以下几个特点： ?当W=0时，H?w?取最大值，H?0?=1： ?当W=Wc时，H?w?=12,也即衰减特性为-3dB,Wc称为低通滤波器的截止频率：

?1时，n

?增加则??ww?c??2n?n值越大，幅频特性曲线越接近理想特性曲线，在w线越平坦：在w?1时，n

?增加，则??ww?c??2nwc减小，曲

wc增大，H?w?越趋向零值，衰减越快。

（2）切比雪夫滤波器

切比雪夫滤波器也是从幅值方面提出逼近要求的，其幅频响应表达式为： H?w??11???nw2?3?2?wc

其切比雪夫滤波器具有以下几个特点：

?在ww?1为通带，ww?1为阻带，与巴特沃兹逼近特性相比，这种特性虽然在通带内有

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