LabVIEW中的信号处理从时域、频域到空域
利用labview进行信号的时域分析
利用labview进行信号的时域分析信号的时域分析主要是测量测试信号经滤波处理后的特征值，这些特征值以一个数值表示信号的某些时域特征，是对测试信号最简单直观的时域描述。
将测试信号采集到计算机后，在测试VI 中进行信号特征值处理，并在测试VI 前面板上直观地表示出信号的特征值，可以给测试VI 的使用者提供一个了解测试信号变化的快速途径。
信号的特征值分为幅值特征值、时间特征值和相位特征值。
用于信号时域分析的函数，VIs,Express VIs主要位于函数模板中的Signal Processing子模板中，其中多数对象位于Waveform Measurements子模板，如图所示LabVIEW8.0中用于信号分析的Waveform Measurements子模板基本平均值与均方差VI基本平均值与均方差VI-------Basic Averaged DC—RMS.vi用于测量信号的平均以及均方差。
计算方法是在信号上加窗，即将原有信号乘以一个窗函数，窗函数的类型可以选择矩形窗、Haning窗、以及Low side lob窗，然后计算加窗后信号的均值以及均方差值。
演示程序的前面板和后面板如下图所示Basic Averaged DC—RMS演示程序的前面板Basic Averaged DC—RMS演示程序的后面板平均值与均方差值平均值与均方差值VI------Averaged DC—RMS.vi同样也是用于计算信号的平均值与均方差值，只是Averaged DC—RMS.vi的输出是一个波形函数，这里我们可以看到加窗截断后，正弦信号的平均值和均方差随时间变化的波形。
编写程序演示Average DC----Averaged—RMS.vi的使用方法，程序的后面板和前面板如下图所示Averaged DC—RMS演示程序的后面板Averaged DC—RMS演示程序的前面板周期平均值与均方差值VI周期平均值与均方差VI------Cycle Average and RMS.vi可以测量信号在一个周期中的均值以及均方差值。
LabVIEW中的信号处理从时域、频域到空域
s2(t)
M3 s3(t)
延时-叠加
y (t ) = ∑ sm (t + τ m ) ≈ Ms0 (t )
m =0
M −1
τ
M0 s0(t)
θ
M1 r M2
d s1(t)
s2(t)
M3 s3(t)
麦克风越多, 空间分辨率越高
5 个麦克风
9 个麦克风
空间混叠原理
r
θ
M0 d M1 M2 M3
d≤
STFT: 傅里叶变换加一个 滑动的“时间窗” ， 使得傅里叶变换有 了时间轴。
应用实例——雷达信号处理
信号完全被干扰淹没
应用实例——雷达信号处理(续)
ms
重构信号
frequency
time
应用实例——多普勒超声血液流速测量
血管中不同部位血液流速不同，并随时间变化； 多普勒超声和血流速度成正比。
说明
本文档由整理人员从网络、 相关书籍等来源整理得到的， 旨在为 相关专业人员、学生、爱好者相互交流学习提供一些资料，其中的不 完善之处或者错误在所难免， 不可尽信， 希望阅读人员能通过阅读发 现并自行纠正不正确之处。 版权归作者所有， 本文档不得私自用于商业用途。 其中可能产生 的问题与整理人员无关。
小波分析
• 小波变换对信号或图 像进行多尺度多分辨 率分析，获得信号或 图像的特征，特别是 短时瞬态特征，如峰、 谷、边缘、隐藏于稳 态信号中的突变等
恢复的失调信号 失调的引擎点火信号被淹没
应用实例——原油管道监测系统
准确定位漏油点
更多小波分析的应用
• 信号、图像压缩 • 非连续点检测 • 峰(谷)值检测 • • • • 信号降噪 图像边缘检测 信号、图像融合 ….
第七章labview信号分析与处理
第七章labview信号分析与处理第七章信号分析与处理7．１概述LabVIEW 6i版本中，有两个子模板涉及信号处理和数学，分别是Analyze子模板和Methematics子模板。
这里主要涉及前者。
进入Functions模板Analyze》Signal Processing子模板。
其中共有6个分析VI库。
其中包括：①．Signal Generation（信号发生）：用于产生数字特性曲线和波形。
②．Time Domain（时域分析）：用于进行频域转换、频域分析等。
③．Frequency Domain（频域分析）：④．Measurement（测量函数）：用于执行各种测量功能，例如单边FFT、频谱、比例加窗以及泄漏频谱、能量的估算。
⑤．Digital Filters（数字滤波器）：用于执行IIR、FIR 和非线性滤波功能。
⑥．Windowing（窗函数）：用于对数据加窗。
在labview\examples\analysis目录中可找到一些演示程序。
7．２信号的产生本节将介绍怎样产生标准频率的信号，以及怎样创建模拟函数发生器。
参考例子见examples\analysis\sigxmpl.llb。
信号产生的应用主要有：●当无法获得实际信号时，（例如没有DAQ板卡来获得实际信号或者受限制无法访问实际信号），信号发生功能可以产生模拟信号测试程序。
●产生用于D/A转换的信号在LabVIEW 6i中提供了波形函数，为制作函数发生器提供了方便。
以Waveform>>Waveform Generation中的基本函数发生器（Basic Function Generator.vi）为例，其图标如下：其功能是建立一个输出波形，该波形类型有：正弦波、三角波、锯齿波和方波。
这个VI会记住产生的前一波形的时间标志并且由此点开始使时间标志连续增长。
它的输入参数有波形类型、样本数、起始相位、波形频率（单位：Hz）参数说明：offset：波形的直流偏移量，缺省值为0.0。
精通LabVIEW程序设计一书的LabVIEW在数字信号处理中的应用
12.2.1 波形和信号生成相关的VI
图12-2 波形生成VI库
图12-3 信号生成VI库
慕赴搐缄敞公涯距仪曲姨满撂碑九艰龋殆岸馅惑废乞凰员汲椰饱迅剔庄棱精通LabVIEW程序设计一书的LabVIEW在数字信号处理中的应用第12章 LabVIEW在数字信号处理中的应用
12.1 概述
LabVIEW尤其适合数字信号处理，主要优势有： 具有良好的图形显示功能，能够以多样化的方式直观显示各种信号波形； 图形化的编程方式，学习门槛较低，易于掌握，省去了许多烦琐的编程细节； 拥有数量众多、功能齐全的各种信号分析与处理VI，供用户随意调用； 具有良好的扩展性，通过附加工具包扩展，以及与其他平台扩展。
验证卷积结合律实例
图12-18 反卷积VI的连线板
非乏鸟晚帮宴肘红请猖荒叼输卢劝东纪烙纂验断全甘馒肌懈练蛛豪快口葛精通LabVIEW程序设计一书的LabVIEW在数字信号处理中的应用第12章 LabVIEW在数字信号处理中的应用
12.4 信号频域分析
翔度嗽扣婴态疫研呸御诅囤场深精扼釜滚絮皋娶诽塘作痒寂邑服钦洁哉洪精通LabVIEW程序设计一书的LabVIEW在数字信号处理中的应用第12章 LabVIEW在数字信号处理中的应用
12.2 波形和信号生成
典型数字信号的生成是数字信号处理中首先遇到的问题，准确快捷地产生符合所需参数的信号波形，是准确进行后续分析和处理的基础。 12.2.1 波形和信号生成相关的VI 12.2.2 波形信号生成举例
12.4.1 信号的FFT分析
LabVIEW与信号处理实现信号滤波与频谱分析
LabVIEW与信号处理实现信号滤波与频谱分析信号处理是一门应用广泛的学科，它在各个领域都有着重要的应用。
其中，信号滤波与频谱分析是信号处理领域中的两个重要方面。
而作为一种强大的工程化软件平台，LabVIEW能够很好地支持信号滤波与频谱分析的实现。
本文将介绍LabVIEW在信号滤波与频谱分析方面的应用及实现方法。
一、信号滤波在LabVIEW中的实现信号滤波是一种通过改变信号的频谱特性，以实现信号去噪或调整信号频谱分布的方法。
在LabVIEW中，可以使用数字滤波器实现信号滤波。
以下是一种常见的信号滤波实现方法：1. 选择合适的滤波器类型：根据信号的特点和需求，选择适合的滤波器类型，例如低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器等。
2. 参数设置：对所选定的滤波器进行参数设置，包括滤波器的截止频率、通带波动等。
3. 数据输入：通过LabVIEW提供的数据采集模块，将待滤波的信号输入到LabVIEW平台中。
4. 滤波器设计与实现：在LabVIEW中，可以使用FIR滤波器积分模块或IIR滤波器等工具来设计和实现滤波器。
5. 信号滤波结果显示：通过LabVIEW的绘图工具，将滤波后的信号进行可视化展示，以便进行后续的分析和处理。
二、频谱分析在LabVIEW中的实现频谱分析是一种对信号频谱进行分析和研究的方法，它可以帮助我们了解信号的频率分布情况和频域特性。
在LabVIEW中，可以使用快速傅里叶变换（FFT）来实现频谱分析。
以下是一种常见的频谱分析实现方法：1. 数据采集：通过LabVIEW提供的数据采集模块，将待分析的信号输入到LabVIEW平台中。
2. 频谱分析参数设置：设置频谱分析的参数，包括采样频率、窗函数类型、频谱分辨率等。
3. 快速傅里叶变换：利用LabVIEW中的FFT模块，对输入信号进行频谱变换，得到信号的频域信息。
4. 频谱结果显示：使用LabVIEW的绘图工具，将频谱结果进行可视化展示，以便直观地观察信号的频谱分布情况。
基于LabVIEW的数字信号处理技术应用
基于LabVIEW的数字信号处理技术的应用摘要本文介绍了数字信号处理的一种方便易用的实现方法——利用LabVIEW这种虚拟仪器软件。
在文章中描述了LabVIEW这种语言的基本情况和主要特点，并且还简单地介绍了数字信号处理基础的基本容。
本次设计是把数字信号处理通常用的复杂的算法转化为简单易懂的图形化编程语言——LabVIEW，利用它可以将计算量大、复杂难懂的波形和数学公式的计算过程变为可视的、直观的信号及信号的参数。
在本文的信号处理过程中，充分利用了LabVIEW中的Sine Wave.vi、Sine Pattern等信号生成VI，代替了实际中采集的信号；并且利用了Real FFT.vi实现了傅立叶变换（DFT）的快速算法FFT；同时还利用了LabVIEW中FIR滤波器的VI，快速实现了滤波。
本次设计的整个过程简单易懂，即使是不会使用编程语言的人也会很容易的学会并利用。
它可以让学生自己动手做相关的实验，全面理解数字信号处理的设计、计算、信号波形及实验结果等容。
关键词：数字信号处理，LabVIEW，傅立叶变换；窗函数；滤波The application of DSP Technology by labVIEW LanguageAbstractWang RuihuaDAOSHIThis article introduces a kind of convenient method for DSP——using Labview which is a kind of virtual instrument software.This article depicts basic instance and chief characteristic of Labview language , and introduce basic content based on DSP.This design turns commonly used complex arithmetic into graphics interchange format program language —Labview which is simply understood. This design turns undee and math formula which have abundant account capacity and complex into videwable and intuitionistic signal and signal parameter.This can help signal prossesing save a lot of time. Signal prossesing in this article fully used signal in LABVIEW such as sine Wave.vi、Sine Pattern to produce VI,take the place of collected signal in true; and use Real FFT.vi to carry out FFT which is fast arithmetic of DFT.It can be easily implemented;at the same time this design use VI in FIR filter rejector of Labview and. implement filter wave fleetly.The full process of this design is easy understood ,even if a person who can not use programme language can study and utilize it easily. It can help student to do relevant experiment, fully understand design,calculation,signal wave and the result of experiment and so on .Keywords:DSP，LabVIEW，DFT目录第一章绪论 (4)1.1 课题背景 (4)1.2 LabVIEW的出现 (4)1.3 国外研究状况及发展前景 (4)1.4 课题容的实现 (5)第二章 LabVIEW简介 (6)2.1 LabVIEW可视化编程的出现 (6)2.2 LabVIEW 虚拟仪器集成环境 (6)2.3 LabVIEW的主要特点 (7)2.3.1虚拟仪器优势所在 (7)2.3.2 LabVIEW语言的优势 (7)第三章数字信号处理基础 (8)3.1数字信号处理系统 (8)3.1.1数字信号处理的特点 (8)3.1.2数字信号处理的应用 (9)3.1.3数字信号处理的发展方向 (9)3.2 傅立叶变换 (10)3.2.1离散傅立叶变换 (10)3.2.2快速傅立叶变换 (13)第四章利用LabVIEW实现信号处理 (14)4.1 信号的产生 (14)4.2波形VI和模板VI (17)4.3练习快速傅立叶变换（FFT） (18)4.3.1双边FFT (22)4.3.2单边FFT (24)4.3.3功率谱 (24)4.4平滑窗简介 (24)4.4.1平滑窗及谱泄露 (25)4.4.2窗函数的应用 (26)4.4.3窗函数的特征 (26)4.4.4滤波 (26)结论 (33)致34参考文献35第一章绪论1.1课题背景数字信号处理是（DSP）从20世纪60年代以来，随着信息学科和计算机学科的高速发展起来的一门新兴学科，是电子信息工程、通讯等专业的一门重要的专业课，特别是现代信息技术、通讯技术、计算机技术迅速发展的今天，这一学科愈来愈显示出它的重要地位，它在各个领域都有着重要的应用。
第10章 LabVIEW数字信号处理
一维插值
例4 在工程上使用较多的是样条插值，样条插值 能够保证三次插值多项式在各点的一阶和二阶导 数连续，即使在数据点也是连续的。
• 除了获得插值曲线外，很多情况下需要获得某个 插值点的值，在使用样条插值时，可首先通过样 条内插函数计算曲线在各个插值节点的二阶导数， 然后通过样条插值完成插值。
本章内容
• 数学分析
图形化编程与数学分析 基本数学函数 线性代数 曲线拟合 插值 数值积分与微分 概率与统计 最优化 常微分方程
• 数字信号处理
信号发生 波形测量 频域分析 数字滤波器 逐umeric Elementary & Special Functions Linear Algebra 描述 数值：最基本的数学操作，例如加减乘除、类型转换和数据 操作等。 初等和特殊函数：一些常用的数学函数，例如正余弦函数、 指数函数、双曲线函数、离散函数和贝塞尔函数等。 线性代数：主要是矩阵操作的相关函数
第10章 数字信号处理
用于测量的虚拟仪器执行的典型测量任务有： （1）计算信号中存在的总的谐波失真； （2）决定系统的脉冲响应或传递函数； （3）估计系统的动态响应参数，如超调量、上升时 间等； （4）计算信号的幅频特性和相频特性； （5）估计信号中含有的直流成分和交流成分。 这些任务都要求在数据采集的基础上进行信号处理。
例 最小二乘法曲线拟合举例
利用最小二乘法拟合曲线，将因变量y与自变量x的关系表达 为 n y f (a, x) ai f i ( x) a0 f 0 ( x) a1 f1 ( x) an f n ( x)
4x y sin( x ) 3 cos( x) Noise x 1 假设猜测函数为： y a0 f0 ( x) a1 f1 ( x) a2 f 2 ( x) a3 f3 ( x) a4 f 4 ( x)
LabVIEW虚拟仪器设计教程第9章 信号分析与处理
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6
信号分析与处理
信号发生 波形调理和波形测量 信号时域与频域分析 滤波器 窗函数 逐点分析
9.1 信号发生
信号发生是信号处理的重要功能之一，常用来产生测试系统的激励测试信号和 模拟测试信号。LabVIEW中产生信号的方法有两种：波形生成和信号生成。从信 号发生的角度考虑，二者几乎没有区别。但从生成的数据特点考虑，首先，波形生 成产生的是波形数据，信号生成产生的是一维数组数据；其次，波形生成产生的横 坐标是时间单位的索引，信号生成产生的横坐标是数组数据的索引。
由指定的偏置、频率、幅值、公式表达式、采样信息生成一个信号波形。
由指定的偏置、频率、幅值、相位、采样信息生成一个正弦信号波形。 由指定的偏置、频率、幅值、相位、采样信息、占空比生成一个方波信号波形。 由指定的偏置、频率、幅值、相位、采样信息生成一个三角信号波形。 由指定的偏置、频率、幅值、相位、采样信息生成一个锯齿信号波形。 由指定的幅值、单个频率个数、开始频率、频率间隔、采样信息、相位关系（0为为 随机、1为线性）生成一个正弦混合信号波形，并输出峰值因素和强制转换后的实际 频率序列。 由指定的幅值、单个频率个数、开始频率、各频率信号的幅值、频率间隔、采样信 息、相位关系（0为为随机、1为线性）生成一个正弦混合信号波形，并输出峰值因 素和强制转换后的实际频率序列。与基本混合单频相比，各频率信号的幅值由输入 指定。 由指定的幅值、各频率信息、采样信息生成一个正弦混合信号波形，与基本混合单 频相比，各频率信号的频率、幅值、相位均由输入指定。
基本带幅值混 合ห้องสมุดไป่ตู้频 混合单频信号 发生器
波形生成VI功能说明（续）
VI 名 称 均匀白噪声波形 高斯白噪声波形 周期性随机噪声波形 反幂律噪声波形 功 能 说 明 由指定的幅值、采样信息生成一个伪随机均匀分布白噪声波形。 由指定的标准方差、采样信息生成一个伪随机高斯分布白噪声波形。 由指定的频谱宽度、采样信息生成一个周期性随机噪声波形。 由指定的噪声密度、指数、滤波器规范、采样信息生成一个噪声波形。
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270
270
信号频率: 3kHz 波长: 0.11m
信号频率: 6kHz 波长: 0.057m
使用16个麦克风的线性阵列, 间隔0.05m
麦克风阵列 –声音像机
• • • • • 减少车辆产生的噪声 识别不同设备中的主要噪声源 减少低空飞行引起的噪声 超标监测 ……
保时捷911经过时的噪声
40mph，1kHz噪声分布
时间
联合时频分析
小波分析
LabVIEW信号处理工具包(ASPT)
• 功能
– 联合时频分析(JTFA) – 小波分析 – 时间序列分析
联合时频分析
—— 短时傅立叶变换 (STFT)
STFT: 傅里叶变换加一个 滑动的“时间窗” ， 使得傅里叶变换有 了时间轴。
联合时频分析
—— 短时傅立叶变换 (STFT)
小波分析
• 小波变换对信号或图 像进行多尺度多分辨 率分析，获得信号或 图像的特征，特别是 短时瞬态特征，如峰、 谷、边缘、隐藏于稳 态信号中的突变等
恢复的失调信号 失调的引擎点火信号被淹没
应用实例——原油管道监测系统
准确定位漏油点
更多小波分析的应用
• 信号、图像压缩 • 非连续点检测 • 峰(谷)值检测 • • • • 信号降噪 图像边缘检测 信号、图像融合 ….
一维麦克风阵列
一维线性定位
二维麦克风阵列
二维平面定位
空间滤波实例-烘干机噪声源
麦克风阵列 —— 一维等间距阵列
M0
sm (t ) ≈ s0 (t − τ m ) τ 0 = 0
τ m = mτ τ = γ sound speed ≈ d sin θ 340
τ
s0(t)
θ
M1 r M2
d s1(t)
说明
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变换域的信号处理、分析方法
频率域
时间域 小波 时频联合域
传统频域处理方法的局限性
• 只适合处理时不变信号，不适合时变信号分析 • 不能分离出在不同时间点的相同频率 • 忽略突变信号，比如一次瞬时振动等
时变信号的典型处理方法
类型 I
信号特征：
类型 II
信号特征：
频率
频率
时间
分析方法： 分析方法：
20mph，2kHz噪声分布
磁悬浮列车
运动中高速磁浮列车的噪声分布
速度: 16km/h 测量距离: 6.8m SM Instruments Co., Ltd
运动中高速磁浮列车的噪声分布
波音公司对于飞机噪声的测量
• 323 个麦克风 • 499 航次 • 测试了几乎所有的机型
波音技术研究中心，西班牙分部 (由荷兰国家航空实验室测量)
STFT: 傅里叶变换加一个 滑动的“时间窗” ， 使得傅里叶变换有 了时间轴。
应用实例——雷达信号处理
信号完全被干扰淹没
应用实例——雷达信号处理(续)
ms
重构信号
frequency
time
应用实例——多普勒超声血液流速测量
血管中不同部位血液流速不同，并随时间变化； 多普勒超声和血流速度成正比。
试验步骤
设计与仿真
配置与调试
数据采集
分析与验证
例子: 旋转机械故障仿真器
旋转机械故障仿真器可以 模拟各种机械故障。 在旋转的圆盘上放置了几 个螺帽来模拟不平衡的轴 承旋转。
麦克风阵列系统配置
测试结果
1.67kHz
4.0kHz
总结
提问
空域信号处理 —— 噪声源定位
噪声越来越小，油耗越来越少
B-52 720 707-100 Comet 4 CV990A CV880-22 DC8-20 BAC-11
DC8-61 707-10 737-100 737-200 727-200 727-100 747-100 747-300 MD-80 A320-100 747-200 A321 A300B2 DC10-10 A310-300 747-400 A330 DC10-30 A340 737-300 MD-11 BAe L-1011 777 146-200
小结
• 传统的信号处理方式
– 时域 – 频域
频率域
• 时频联合分析 • 小波分析
时间域 小波 时频联合域
空域信号处理
频率域 频率域 频率域 时间域 时间域 时间域 小波 时频联合域 小波 时频联合域 小波 时频联合域
道 通 （
频率域
时间域 小波 时频联合域
空
域 间
）
多
单通道的时频域信号处理
多通道的时频域信号处理 空域信号处理
LabVIEW中的信号处理 从时域、频域到空域
DSP工程师 倪斌
议程
• 常用信号处理、分析方法 • 时变信号的时频分析以及LabVIEW实 现 • 空域信号处理
– 原理 – 应用
数字信号处理
从抽象的数字中提取感兴趣的事物的特征
1. 选择最合适的表达方式（映射） 2. 特征提取（各类参数法）
时域的信号处理、分析方法
噪声源分布
改进后的整流罩
机翼的改进
NI为麦克风阵列试验提供了强大的 解决方案
• 易于使用 • 基于LabVIEW平台 • • • • 集成数据采集部分 集成照片对齐与麦克风校正工具 集成完整的空域分析工具 自定义算法
基于 LabVIEW 的设计模版 （一）
基于 LabVIEW 的设计模版 （二）
s2(t)
M3 s3(t)
延时-叠加
y (t ) = ∑ sm (t + τ m ) ≈ Ms0 (t )
m =0
M −1
τ
M0 s0(t)
θ
M1 r M2
d s1(t)
s2(t)
M3 s3(t)
麦克风越多, 空间分辨率越高
5 个麦克风
9 个麦克风
空间混叠原理
r
θ
M0 d M1 M2 M3
d≤
λmin
2
=
1 2 f max
λ s0(t0) s1(t0) s2(t0) s3(t0)
空间混叠实例
beam pattern
90 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 180 -40
beam pattern
90 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 180 -40
787
1950
1960 Entry into service
1970
1980
1990
2000
2010
2020
• 噪声分布
2000 Hz
95 dB
• 空域信号处理
– 确定噪声源 – 区分不同类型的噪声
90 dB
空域信号处理的基础 —— 麦克风阵列
• 什么是麦克风阵列? • 它是如何工作的? • NI麦克风阵列的应用