LabVIEW分析与信号处理

---分析与信号处理内容•LabVIEW的分析与信号处理概述–基本分析与处理VI–高级信号处理–滤波器设计•信号处理上机练习–使用基本VI•提问、答疑LabVIEW的分析与信号处理概述数据采集显示与报告分析与处理信号处理、分析与数学工具是虚拟仪器的基石LabVIEW基本分析与处理VILabVIEW基本分析与处理VI•数学–Numeric–ElementaryandSpecialFunctions–BLAS/LAPAC-basedLinearAlgebra–CurveFitting–Interpolation/Extrapolation–ProbabilityandStatistics–Optimization–OrdinaryDifferentialEquations–Geometry–Polynomial–FormulaParsing–1D&2DEvaluation–Calculus–Zeros–…LabVIEW基本分析与处理VI•信号处理与分析–WaveformGeneration–WaveformConditioning–WaveformMonitoring–WaveformMeasurements–SignalGeneration–SignalOperations–Windows–DigitalFilters–SpectralAnalysis–Transforms–Point-by-Point–Resampling–…LabVIEW基本分析与处理VI特点使用类型•单点处理•循环实时系统应用Pt-by-Pt逐点•功能全面•底层函数毕业设计,课题研究Array数组•和硬件直接接口•带有时间信息实验室Waveform波形•易用•交互式•推荐本科生使用•老师可用来解释原理ExpressVI更多的分析与信号处理VI•多达150个新增或改进的VI–曲线拟合–插值–概率与统计–优化–…•MathScript基于文本数学语言LabVIEW基本分析与处理VIDemoLabVIEW高级信号处理时域的信号处理、分析方法变换域的信号处理、分析方法时不变信号与时变信号•信号中是否有系统性的参数变化•系统性的参数包括–频率，幅度，方差，均值等时不变时变传统的信号处理方法•时域分析–RMS,峰峰值•变换域FFT分析–频谱分析–总谐波失真(THD)–频率成分、相位检测–……•滤波–Butterworth–Chebyshev–…频率时间传统处理方法的局限性•只适合处理时不变信号FFT不适合时变信号分析传统滤波器不适合时变信号滤波传统处理方法的局限性（续）•没有考虑信号的内部动态特性线性系统采集得到的振动信号白噪声激励传统处理方法的局限性（续）•对于多元（多通道）信号，只能单独处理，没有考虑多元信号之间的耦合FFT之外的时不变信号处理方法•基于模型的分析–信号的AR,ARMA,StateSpace建模–基于模型的谱估计•多元信号分析–矢量（多元）ARMA,StateSpace建模–主分量分析（PrincipalComponentAnalysis）–独立分量分析（IndependentComponentAnalysis）–…应用实例——谱估计应用实例——汽车引擎故障检测异常工作点Demo应用实例——脑磁场MEG信号分离应用实例——FetalECG信号分离应用实例——多元信号频谱分析时变信号的典型处理方法频率时间频率时间类型II类型I联合时频分析小波分析信号特征：信号特征：分析方法：分析方法：时频分析-短时傅立叶变换更多时频联合分析方法•STFT•Gabor•Adaptive•WVD•PWVD•CWD•CSD时变滤波器应用实例——雷达信号处理信号完全被噪声淹没应用实例——雷达信号处理(续)mstimefrequency重构信号信息提取时频变换应用实例——多普勒超声血液流速应用实例——汽车引擎的点火失调频率时间应用实例——汽车引擎的点火失调（续）应用实例——漏油检测突变点检测更多小波分析的应用•信号、图像压缩•信号降噪•图像边缘检测•信号、图像融合•….DemoLabVIEW高级信号处理工具包(ASPT)•功能–联合时频分析(JTFA)–小波分析–时间序列分析更多LabVIEW信号处理功能•数字滤波器设计•系统仿真•控制器设计•系统识别LabVIEW的信号处理功能基本数学与信号处理测试与测量设计与仿真ni.com/analysis•声音与振动•阶次分析•图像处理•机器视觉•时间序列•线性代数•滤波器•频谱分析•微分方程•多项式•联合时频、小波LabVIEW开发信号处理应用麦克风阵列声源定位系统设计与仿真配置与调试数据采集分析与验证试验系统配置测试结果1.67kHz4.0kHzR&D工程师们麦克风阵列声源定位应用LabVIEW中的数字滤波器设计常见滤波器应用•降噪•提取信号成分•频谱整形–信道均衡–产生特定频谱形状的噪声•还有很多…数字滤波器设计流程浮点滤波器设计与分析硬件滤波器实现浮点滤波器设计滤波器系数滤波器设计算法滤波器类别滤波器设计指标滤波器类别•FIR数字滤波器–无条件稳定的滤波器–可以实现严格的线性相位响应–需要相当高的阶数来满足陡峭过渡带响应的设计指标•IIR数字滤波器–满足相同的设计指标，相比于FIR滤波器，IIR滤波器需要的阶数低得多，从而计算所需要的乘法次数也少得多–具有陡峭过渡带的设计可能导致实现时的很大的响应延迟–具有陡峭过渡带的设计要求实现所用的计算单元需要有很高的计算精度–因为存在有限字长效应，可能出现极限环和滤波器不稳定现象–因为存在有限字长效应，对实现所用的结构很敏感，不同结构可能导致完全不同的结果滤波器设计指标•频率响应–幅度响应–相位响应•通带、阻带特性–通带波纹–阻带衰减•滤波器阶数滤波器设计算法•经典算法–巴特沃兹滤波器设计–切比雪夫滤波器设计–椭圆滤波器设计–窗函数设计…•高级算法–REMEZ设计–LpthNorm设计演示：典型滤波器设计－ExpressVI低通滤波器高通滤波器带阻滤波器带通滤波器DemoDemo数字滤波器设计流程浮点滤波器设计与分析硬件滤波器实现定点硬件平台滤波器实现硬件实现浮点硬件平台滤波器实现浮点实现－LabVIEWDSP模块最新!•直观的图形化DSP开发–算法的专家–DSP应用的原型•直接通过LabVIEW对DSP进行编程•可供发布的硬件–TexasInstrumentsDSK6711–NI/HyperceptionSPEEDY-33–SpectrumDigitalDSK6713–……数字滤波器设计流程浮点滤波器设计与分析定点硬件平台滤波器实现浮点硬件平台滤波器实现硬件实现定点滤波器建模与仿真定点滤波器建模的基本步骤•结构选择与系数量化分析•定点实现的量化模型建立•定点仿真分析Floating-Point浮点参考设计定点实现的量化模型建立Analysis定点仿真结构选择与系数量化分析1.结构选择与系数量化分析•提示–了解不同滤波器结构的特点–明确所使用的硬件平台的优势和限制–在一定的系数字长下，选择适合的整数字长，以使得滤波器频率响应仍然能够满足要求–加大系数字长，可以得到更好的量化结果2.定点实现的量化模型建立y[n]+Z-1x[n]a1az11H(z)y[n]=x[n]+a.y[n-1][QD][QO][QS][QI][QM][QP]注意：定点范畴下，不同的结构导致不同的计算次序,从而可能得到完全不同的计算结果3.定点仿真分析•仿真信号选择–脉冲信号–正弦信号–直流–实际系统的典型输入*•分析内容–各量化器的工作状态，主要观察溢出的发生情况–各量化器的配置是否合理设计实例DemoDemo数字滤波器设计流程浮点滤波器设计与分析浮点硬件平台滤波器实现硬件实现定点滤波器建模与仿真定点硬件平台滤波器实现定点硬件平台的选择－CompactRIO实时处理器RIOFPGAI/O模块I/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OReal-TimeControllerConnectivityADCSignalConditioning•冗余直流供电•50G冲击•-40to70C的温度范围定点硬件平台的选择－智能型DAQ•10款智能型R系列数据采集板卡•1百万和3百万门FPGA•160/96根数字线，用途广泛–计数器，变化检测–时间戳，数字协议•定时和同步的AI/AO•LabVIEWReal-Time下的快速I/O回顾：数字滤波器设计流程浮点滤波器设计与分析浮点硬件平台滤波器实现硬件实现定点滤波器建模与仿真定点硬件平台滤波器实现LabVIEW数字滤波器设计工具包•是一个用来交互式或者通过编程方式来设计、分析和实现数字滤波器的软件。•是一个LabVIEW的附加工具包。LabVIEW数字滤波器设计工具包特点•在一个工具中提供了从理论到实现的整个过程–浮点与定点的设计、分析与实现的全部过程–在一个工具包内实现了交互式的设计到硬件实现的全部过程。•非常容易使用–将近80个例子程序–4个只需要配置即可实现功能的ExpressVIs–同时享有LabVIEW所有的易用特性•包含面广–包括最新、最全、以及最先进的滤波器设计算法–超过30种滤波器结构，25种设计算法信号处理上机练习练习1——SignalGeneration练习2——FFT&Spectrum练习3——Windowing练习4——DigitalFiltering练习5——CurveFitting练习6——SolvingLinearEquation练习7——Statistics练习1——SignalGenerationNormalizedFrequency•DigitalfrequencyorAnalogfrequencynormalizedfrequencySamplingfrequency•Unitsarecycles/sample•SignalGenerationVIsusenormalizedfrequencyunits(0.0to1.0)=练习2——FFT&Spectrum练习3——Windowing练习4——DigitalFiltering练习5——CurveFitting练习6——SolvingLinearEquationAx=b71-2-3-942-42A1082b练习7——Statistics提问、答疑