第5章機械(jīxiè)信號的預處理5.1信號的放大5.2信號的濾波5.3信號的調制與解調5.4信號的數字化方法(fāngfǎ)5.5Matlab編程實驗目前機械信號處理方法主要是基于數字分析方法，它要求處理的信號是離散時間序列，盡管已經采用了一些數字式傳感器，但大多數機械系統測量信號仍是連續的模擬信號，所以總需要有一個離散化，即模數轉換或采樣的過程。本章將介紹機械信號的一些基本預處理方法，如信號放大、濾波、調制與解調、信號的數字化等。

精品資料5.1信號(xìnhào)的放大在機械信號測量中，傳感器或測量電路的輸出信號電壓是很微弱的，一般不能直接(zhíjiē)用于顯示、記錄或模數轉換，需要進行放大。對機械信號測量系統中使用放大器的要求有以下幾點：1）頻帶寬，且能放大直流信號；2）精度高，線性度好；3）高輸入阻抗，低輸出阻抗；4）低漂移，低噪聲；5）強的抗共模干擾的能力。隨著電子技術的發展，各種新型高精度的通用與專用放大器大量涌現，如測量放大器、可編程放大器及隔離放大器等。精品資料5.1.1運算(yùnsuàn)放大器精品資料反相比例(bǐlì)放大器精品資料差動放大器精品資料積分(jīfēn)放大器精品資料微分(wēifēn)放大器精品資料5.1.3電荷(diànhè)放大器電荷放大器是供壓電式傳感器專用的一種前置放大器。它實際上是一個(yīɡè)帶電容深度負反饋的高增益運算放大器，能將壓電式傳感器的輸出電荷轉換成一定比例關系的低阻抗電壓，并進行放大。其輸入阻抗高達～，而輸出阻抗小于100。精品資料>>精品資料5.2信號(xìnhào)的濾波在對測得的機械(jīxiè)信號進行分析和處理時，經常會遇到有用信號疊加上無用噪聲的問題，這些噪聲有些是與信號同時產生的，有些是在信號傳輸時混入的。

根據有用信號的不同特性，消除或減弱干擾噪聲，提取有用信號的過程稱為濾波，把實現濾波功能的系統稱之為濾波器。

經典濾波器是一種具有選頻特性的電路，當噪聲和有用信號處于不同的頻帶時，噪聲通過濾波器將被極大地衰減或消除，而有用信號得以保留。但是當噪聲和有用信號頻率混疊時，經典濾波器就無法實現上述功能。精品資料根據(gēnjù)濾波器幅頻特性的通帶和阻帶的范圍，可以將其劃分為低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型。根據最佳逼近特性(tèxìng)標準分類可以分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器等類型。根據濾波器處理信號的性質，又可以分為模擬濾波器和數字濾波器。模擬濾波器用于處理模擬信號（連續時間信號），數字濾波器用于處理離散時間信號。精品資料5.2.1理想(lǐxiǎng)模擬濾波器精品資料精品資料5.2.2實際(shíjì)模擬濾波器及其基本參數實際的模擬濾波器，其特性曲線沒有明顯(míngxiǎn)的轉折點，帶通中不是常數，實際帶通模擬濾波器的基本參數如圖。需要用更多的特性參數描述和選擇實際的濾波器，比如：截止頻率、波紋幅度、帶寬、品質因數和倍頻程選擇性等。精品資料5.2.3模擬(mónǐ)濾波器的設計模擬(mónǐ)濾波器的設計包括確定濾波器傳遞函數和設計實現該傳遞函數的實際電網絡。實際濾波器的幅頻特性只能是理想特性的逼近，因此解決濾波器傳遞函數設計的關鍵是要找到這種逼近的函數，目前已有了多種逼近函數，根據所用的逼近函數的不同，就有相應的濾波器名稱。精品資料（1）巴特沃斯濾波器巴特沃斯濾波器是以Butterworth逼近函數作為濾波器的傳遞函數，該函數以最高階泰勒級數(jíshù)形式來逼近，它從幅頻特性提出要求，而不考慮相頻特性。巴特沃斯濾波器具有最大平坦的幅度(fúdù)特性，其低通濾波器頻響函數表達式為精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料精品資料（2）切比雪夫濾波器精品資料精品資料精品資料Matlab編程實驗(shíyàn)n=0:0.01:2;fori=1:4switchicase1N=2;case2N=5;case3N=10;case4N=20;end[z,p,k]=buttap(N)[b,a]=zp2tf(z,p,k[H,w]=freqs(b,a,nmagH2=(abs(H)).^2holdonplot(w,magH2)end精品資料精品資料精品資料模擬濾波器應用(yìngyòng)Simulink仿真給定一個角頻率為1的正弦信號,在該信號上疊加白噪聲信號,送入模擬(mónǐ)低通巴特沃思濾波器進行濾波,濾波器截至角頻率為1.5精品資料5.3信號的調制(tiáozhì)與解調1)目的(mùdì)解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。

先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。精品資料例：交流電橋VinVoR1R3R2R4調幅(diàofú)電路精品資料2)種類(zhǒnglèi)調制(tiáozhì)信號x(t)載波信號a)幅度凋制(AM)b)頻率調制(FM)c)相位調制(PM)精品資料3)幅度(fúdù)調制調幅(diàofú)是將一個高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化．精品資料幅度調制與解調(jiědiào)過程（波形分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)精品資料fs=1000;%采樣頻率(pínlǜ)(要有足夠的采樣頻率(pínlǜ))t=0:1/fs:1%采樣時間點m=0.4;%調制指數(原信號振幅)fh=10;%載波信號頻率(pínlǜ)10Hzfl=1;%調制信號頻率(pínlǜ)1Hzxh=sin(2*pi*fh*t);%構建載波信號xl=sin(2*pi*fl*t);%構建調制信號y=(1+m*xl).*xh;%調幅plot(t,1+m*xl);%顯示調制信號包絡holdon;plot(t,y);%顯示調制后信號幅度調制(tiáozhì)MATLAB程序精品資料t=0:0.00001:1;A0=10;%載波振幅A1=8;%調制信號振幅fc=30000;%載波頻率(pínlǜ)30kHzf=300;%調制信號頻率(pínlǜ)300Hzmes=A1*cos(2*pi*f*t);%調制信號uam=A0*(mes+10).*cos(2*pi*fc*t);%已調信號subplot(221);%顯示調制信號plot(t,mes)xlabel(‘t’),title(‘調制信號')axis([0,0.01,-20,20])subplot(222)%顯示已調信號plot(t,uam)gridontitle(‘AM已調信號')axis([0,0.01,-200,200])subplot(223)%顯示調制信號頻譜Y1=fft(mes);%求頻譜stem(abs(Y1))title(‘調制信號頻譜')axis([0,500,0,500000])subplot(224)%顯示AM信號頻譜Uam=fft(uam);stem(abs(Uam))title(‘AM信號頻譜')axis([29000,31000,0,5000000])加10的目的(mùdì)是防止過調失真精品資料幅度調制(tiáozhì)過程（波形與頻譜分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)精品資料解調過程（波形(bōxínɡ)與頻譜分析）乘法器濾波器z(t)x(t)精品資料幅度調制過程(guòchéng)（波形與頻譜分析）精品資料幅度解調(jiědiào)過程（波形與頻譜分析）精品資料幅度調制與解調(jiědiào)過程（數學描述）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)精品資料非抑制(yìzhì)調幅若對信號x(t)進行(jìnxíng)偏置，疊加一個直流分量D，使偏置后的信號都具有正電壓。精品資料調幅(diàofú)精品資料解調(jiědiào)二極管檢波(jiǎnbō)低通濾波精品資料調幅(diàofú)波的波形失真a）過調失真：對于(duìyú)非抑制調幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發生180。精品資料uam=A0*(mes+2).*cos(2*pi*fc*t);非抑制調幅(diàofú)的過調失真精品資料b)重疊失真：調幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號組成．當載波頻率(pínlǜ)fz較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的下邊帶相重疊．要求:fz＞fm精品資料4)頻率(pínlǜ)調制調頻是利用信號x(t)的幅值調制載波的頻率(pínlǜ)，或者說，調頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波.精品資料精品資料鑒頻（調頻(diàopín)波的解調）：T1T2T3T4F精品資料優點：抗干擾能力強。因為調頻信號所攜帶(xiédài)的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現在振幅之中．缺點：占頻帶寬度大，復雜調頻(diàopín)波通常要求很寬的頻帶，甚至為調幅所要求帶寬的20倍；調頻(diàopín)系統較之調幅系統復雜，因為頻率調制是一種非線性調制。精品資料編程練習(liànxí)：自行設計一個(yīɡè)調幅信號。精品資料作業(zuòyè)：8、產生一個由兩個頻率成分55Hz、79Hz組成的信號，然后設計濾波器濾去7.9Hz的頻率成分。寫出程序，并用圖形(túxíng)解釋處理結果。精品資料%產生一個(yīɡè)由兩個頻率成分5.5Hz、7.9Hz組成的信號.t=0:0.0001:1f1=55;f2=79;y2=sin(2*pi*f2*t);y1=sin(2*pi*f1*t);y=y1+y2Y=fft(y)subplot(221)plot(t,y1)xlabel('t'),title('sin(2*pi*f1*t)')axis([0,0.1,-3,3])subplot(222)plot(t,y2)axis([0,0.1,-3,3])xlabel('t'),title('sin(2*pi*f2*t)')subplot(223)plot(t,y)axis([0,0.1,-3,3])xlabel('t'),title('sin(2*pi*f2*t)+sin(2*pi*f1*t)')subplot(224)stem(abs(Y))axis([40,100,0,10000])xlabel('f'),title('|Y(jw)|')精品資料%濾波器通帶截止頻率60Hz，阻帶(zǔdài)起始頻率75Hz%設計低通濾波器wp=60*2*pi;ws=75*2*pi;rp=3;as=20;[N,wc]=buttord(wp,ws,rp,as,'s');[b,a]=butter(N,wc,'s');fk=0:1:length(Y)-1wk=2*pi*fk;H=freqs(b,a,wk)figure(2)p